高応答性高帯域金属−半導体−金属光電デバイス
【課題】波長域内の入射光波を検知する光デバイスを提供すること。
【解決手段】波長域内の入射光波を検知する光デバイスは、基板上に重ね合わされた電極の第１アレーと第２アレーを備え、センサはコンタクトに接続される。前記アレーは櫛型にかみ合っている。各アレーは、それぞれのパラメータである、コンタクト幅、コンタクト厚み、溝部幅、及び溝部誘電率を有している。前記アレーと関連する構造は、入射波と局所的な電磁共鳴又はハイブリッドモードとを共鳴カップリングし、このハイブリッドモードは少なくとも表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）を含む。ＣＭをカップリングするために、コンタクト厚みの電極間の間隔に対するアスペクト比は少なくとも１である。高帯域及び高応答性用のハイブリッドモードをカップリングする好適な構造は、交互の溝部においてより高い誘電率を有する。前記基板は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）を含む、シリコンを含んでもよい。より高い誘電体、例えばシリコン酸化物を有する交互の溝部を有するＳＯＩデバイスは、０．２５Ａ／Ｗ及び３０ＧＨｚの帯域幅を与える。
【解決手段】波長域内の入射光波を検知する光デバイスは、基板上に重ね合わされた電極の第１アレーと第２アレーを備え、センサはコンタクトに接続される。前記アレーは櫛型にかみ合っている。各アレーは、それぞれのパラメータである、コンタクト幅、コンタクト厚み、溝部幅、及び溝部誘電率を有している。前記アレーと関連する構造は、入射波と局所的な電磁共鳴又はハイブリッドモードとを共鳴カップリングし、このハイブリッドモードは少なくとも表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）を含む。ＣＭをカップリングするために、コンタクト厚みの電極間の間隔に対するアスペクト比は少なくとも１である。高帯域及び高応答性用のハイブリッドモードをカップリングする好適な構造は、交互の溝部においてより高い誘電率を有する。前記基板は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）を含む、シリコンを含んでもよい。より高い誘電体、例えばシリコン酸化物を有する交互の溝部を有するＳＯＩデバイスは、０．２５Ａ／Ｗ及び３０ＧＨｚの帯域幅を与える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本願に組み込まれる２００４年３月２２日出願の米国仮出願第６０／５５５，１０９号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、高応答性の光電デバイスの分野に関し、特に、高帯域・高感度の金属−半導体−金属光検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来技術の金属−半導体−金属（ＭＳＭ）検出器においては、半導体のバンドギャップよりも十分に大きなエネルギーの光が構造に入射すると、入射光の一部が電極間の半導体に作用して、半導体内の電荷担体、すなわち電子と正孔を励起する。電子は、印加電圧と電界とにより、正に帯電した電極の方へ引き寄せられる。正孔は、反対の方向の負に帯電した電極の方へ引き寄せられる。これらの電荷担体が電極又はコンタクトへ引き寄せられると、当該コンタクト内に測定可能な電流を生じさせる。
【０００４】
ＭＳＭデバイスの速度は、通常、電荷が電極に引き寄せられるのに必要な時間により制限される。これらのＭＳＭデバイスのスピードを速める方法として、隣接する電極間の間隔を減少させるというものがある。間隔の減少により、キャリアの電極までの移動距離が短縮され、移動時間が減少する。移動時間の減少の結果、デバイスのスピードが速くなる。このようなスピードの向上は、他の種類の検出器と比較したＭＳＭデバイスの利点である。しかしながら、一定のコンタクト間隔を維持しつつ上記間隔を減らすことにより、デバイスの表面のかなりの割合が、入射光を反射する金属の反射電極によって覆われることになり、結果として感度が低くなる。従って、一般的なＭＳＭデバイスにおいては、速いスピードのために光感度が犠牲となっている。
【０００５】
ＭＳＭデバイスにおける多電極構造は、格子状構造を形成してもよい。過去において、間隔の狭い格子間を通る光の透過は、研究者の研究対象であった。特に特に、ラメラ格子及びその他の周期的な複合格子構造において劇的な光学的な挙動を示す表面プラズモン（ＳＰ）やその他の電磁共鳴（ＥＲ）が、観察及び分析されてきた。周期的構造における「異常な」透過及び電磁共鳴の現象についての研究は、Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．他「サブ波長正孔アレーを通した異常光透過」ネイチャー、３９１、６６７〜６６９ページ（１９９８）において、Ｅｂｂｅｓｅｎ他が、正孔の２次元アレーは、膜の総面積に対する正孔の面積の占める割合よりも高い割合で、特定の波長と角度で入射する光を透過させることを報告した後、増加した。言い換えると、入射光は正孔により「導かれる」ように思われる。例えば、Ｌｏｃｈｂｉｈｌｅｒ，Ｈ．「ゴールドワイヤ格子における表面ポラリトン」フィジカルレビュー Ｂ，５０（７）：４７９５ページ（１９９４）において、異常な透過は、１Ｄ周期格子構造においても観察される。これらと他の研究は、いくつかの注目すべき例外を除いては、異常な透過の物理的メカニズムに主に関連するものであり、例えば表面プラズモンの光電デバイスに対する実用化を検討するものではなかった。
【０００６】
例えば、Ｅｂｂｅｓｅｎ他に対する米国特許第５，９７３，３１６号は、ＳＰモードにカップリングすることにより光透過を高める金属膜又は薄い金属プレートのサブ波長アパーチャーのアレーを開示し、ここで、アレーの周期が選択されて特定の波長域の透過が向上される。このアレーは、フォトリソグラフィーを利用する際の光のフィルタリングと収集とに用いることができる。
【０００７】
別の例として、Ｂｒｏｗｎに対する米国特許第５，６２５，７２９号は、入射光を局在表面プラズモン波に共鳴カップリングする光電デバイスを開示する。このデバイスは、半導体基板上の複数の略平面状の規則的な間隔で配された低いプロファイル（low-profile)電極を含み、これらの電極は格子を形成して、格子に沿って広がる表面プラズモンモード（水平ＳＰモード）と基板とを共鳴カップリングする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、Ｂｒｏｗｎ特許は、水平ＳＰの平面格子界面に対する周知のカップリング効果を、従来のＭＳＭ光検出器を構成する周期的金属格子に拡張するものである。Ｂｒｏｗｎ特許に記載のＭＳＭ光検出器は、電極格子を介した透過を向上させることができるが、このＭＳＭ光検出器に用いられる半導体材料又はその用途に関わらず、１種類のＳＰモード（水平）にカップリングするための、ＭＳＭ光検出器の１つの電極構造（平面状の目立たない格子構造）しか開示及び検討されていない。言い換えると、Ｂｒｏｗｎ特許のＭＳＭ光検出器は、ＳＰモードカップリング又はその他のＥＲモードカップリングの特定の検出器への応用に対する最も効率的な利用に最適化されていない。
【０００９】
ゆえに、特定の波長域の検出が特に必要とされる特定の用途における迅速な応答時間（高帯域）と高応答性の両方に最適化された、改良された金属−半導体−金属デバイスが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特定の用途と波長感度範囲に最適化された高帯域・高応答性の金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスに関する。
【００１１】
本発明の一実施形態は、外部光波の強さを検知する光学検波器に関する。この検出器は、外部光波と局所的な光波とを共鳴カップリングし、かつ隣接する電極間に電位差を可能にするよう構成された、略規則的なパターンで離間し、複数の金属電極を含む。検出器は、さらに、前記複数の電極に関する構造であって、その構造と複数の電極とが局所的な光波をサポートする構造と、その複数の電極に接続され、電気量を検知するセンサとを含む。
【００１２】
光学検波器は、さらに、複数の電極と重ね合わされた半導体基板を含み、隣接する電極間の間隔に対する複数の電極の高さは少なくとも１のアスペクト比である。加えて、外部光波にカップリングされた前記局所的な光波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波を有する。
【００１３】
光学検波器の半導体基板は、好ましくは、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、又はシリコンを含む。
【００１４】
別の実施形態において、光学検波器の基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。
【００１５】
隣接する電極間の間隔は、好ましくは少なくとも約２０ナノメータである。
【００１６】
一実施形態において、アスペクト比は少なくとも３である。
【００１７】
別の実施形態において、アスペクト比は４より大きく１６より小さい。
【００１８】
さらに別の実施形態において、アスペクト比は１０より大きく１５より小さい。
【００１９】
光学検波器は、検出器表面の面上で９０°回転した略規則的なパターンで離間した第２複数の電極を含んでもよい。第２複数の電極は、複数の電極及び基板と重ね合わされた。第２複数の電極は、外部光波と表面プラズモン波とを共鳴カップリングするよう構成され、表面プラズモン波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する。
【００２０】
別の実施形態において、光学検波器は、隣接する電極間の間隔を略充填する半導体層を含んでもよい。
【００２１】
また別の実施形態において、光学検波器の複数の電極の高さは少なくとも約５０ナノメータである。
【００２２】
さらに別の実施形態において、複数の電極の高さは約５０ナノメータ〜約１５００ナノメータの範囲にある。
【００２３】
異なる実施形態において、複数の電極の高さは約１００ナノメータ〜約７５０ナノメータの範囲にある。
【００２４】
本発明はまた、波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイスに関し、この光デバイスは、第１電極の第１アレーと、第２電極の第２アレーと、基板と、第１電極及び第２電極に接続され電気量を検知するセンサとを含む。第２アレーは、第１アレーに対して直線的に移動されて第２電極が第１電極と互いにかみ合うようになる。デバイスは、また、第１アレー及び第２アレーと関連し、入射光波と局所的な電磁共鳴とを共鳴カップリングする構造を含む。局所的な電磁共鳴は、少なくとも局在表面プラズモン波のキャビティモードを含む。第１アレー及び第２アレーは、基板と重ね合わされた。加えて、第１アレーは、第１幅を有する第１コンタクト窓と、第１誘電率を有する第１コンタクト窓誘電体と、第１コンタクト厚みと、第１コンタクト幅とを含み、第２アレーは、第２幅を有する第２コンタクト窓と、第２誘電率を有する第２コンタクト窓誘電体と、第２コンタクト厚みと、第２コンタクト幅とを含む。デバイスは、また、電極構造のピッチも含む。
【００２５】
光デバイスの基板は、好ましくは、ＩＶ元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ元素半導体、及びＩＩ−ＶＩ元素半導体のいずれか１つを含む。
【００２６】
一実施形態において、半導体は水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか１つを含む。
【００２７】
第１電極及び第２電極のうち少なくとも１つは金を含んでもよい。
【００２８】
光デバイスの一実施形態において、基板は水銀カドミウムテルルを含み、第１電極及び第２電極はアルミニウムを含み、第１誘電率は第２誘電率よりも大きい。加えて、第１誘電率は、１．７５〜４．０の範囲にあることが好ましい。
【００２９】
水銀カドミウムテルル光デバイスの構造は、好ましくはハイブリッドモードと共鳴カップリングする。ハイブリッドモードは、少なくともキャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含む。デバイスは、少なくとも約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータの波長域で動作する。
【００３０】
水銀カドミウムテルル光デバイスの別の実施形態において、構造は、ハイブリッドモードと、少なくとも約４．０マイクロメータ〜約１５．０マイクロメータの波長域で共鳴カップリングする。加えて、第１及び第２幅はそれぞれ、０．５マイクロメータ〜０．９マイクロメータの範囲にある。第１コンタクト厚みと第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．４５マイクロメータ〜０．８５マイクロメータの範囲にある。第１コンタクト幅と第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２マイクロメータ〜０．５マイクロメータの範囲にある。
【００３１】
基板がシリコンを含む光デバイスの実施形態は、少なくともキャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングする基板を備える。波長域は、約８３０ナノメータ〜少なくとも約８５０ナノメータの範囲を含む。加えて、第１コンタクト幅と第２コンタクト幅は、それぞれ、第１幅と第２幅よりも大きい。
【００３２】
好ましくは、シリコン半導体を有する光デバイスの第１誘電率は、第２誘電率よりも大きく、１．７５〜４．０の範囲にある。加えて、第１コンタクト厚み及び第２コンタクト厚みのうち少なくとも１つは、好ましくは少なくとも１００ナノメータである。
【００３３】
加えて、第１幅と第２幅はそれぞれ、０．０７５マイクロメータ〜０．２５マイクロメータの範囲にあってもよい。
【００３４】
また、第１コンタクト厚み及び第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．０７５〜０．２マイクロメータの範囲にあってもよい。
【００３５】
光デバイスの別の実施形態において、基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。好ましくは、この光デバイスは、３０ＧＨｚより大きい帯域幅と少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性とを有する。
【００３６】
シリコン・オン・インシュレータ構造を含む光デバイスの第２誘電体は、シリコン酸化物を含んでもよい。加えて、第１コンタクト幅は、好ましくは第１幅の少なくとも２倍であり、第１厚み及び第２厚みはそれぞれ、少なくとも１００ｎｍである。
【００３７】
シリコン・オン・インシュレータ構造は、シリコン最上層と絶縁体層とを備える。好ましくは、シリコン最上層の厚みは３００ナノメータ〜４００ｎｍの範囲にあり、絶縁体層の厚みは約２５ナノメータ〜約７５ナノメータの範囲にある。
【００３８】
結果として、本発明は、特定の動作波長域に最適化された高帯域・高応答性の金属−半導体−金属デバイスを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明に従って形成されるデバイスは、応答時間が速く且つ高感度の光電デバイスを提供する。このデバイスの構造は、用途に応じ、特に最適の性能に調整される。異なる用途においては、特に、特定の波長域における所定の検出感度が要求される。この要求により、好適な半導体材料は、着目する波長域においてより高い応答性を示すものに制限される。しかしながら、同じ半導体を用いる従来のデバイスでは、必ずしも最適な応答時間をも示すわけではなく、光電デバイスの設計者は、スピードをより速くするために応答性を犠牲にしなければならないことも多い。
【００４０】
本発明において、デバイスは、特定の基板により電極の構造を調整してデバイスの応答時間及び入射光の吸収の双方を向上させることにより、高速な応答時間も備えつつ、好適な波長域における高応答性を提供する。好ましくは、この基板は半導体を含み、デバイスは金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスであるという特徴を有する。電極構造及び材料特性は、ローカル電磁共鳴（ＥＲ）を介して入射光波と透過波要素を共鳴カップリングするように最適化される。ローカルＥＲモードは、好ましくは表面プラズモン（ＳＰ）波を含み、運動量の要素のうちの少なくともデバイスの表面に略垂直な要素を有している。ここで、このＳＰ波の垂直な要素を、垂直ＳＰモード若しくはキャビティモード（ＣＭ）と呼ぶ。電極の構造と材料を変更することにより、入射光信号又は波により半導体に含まれる電磁場プロファイルは高度に制御可能となる。これに対して、低度のプロファイルの電極構造を含む従来技術のデバイスは、水平ＳＰ（ＨＳＰ）モードのみカップリングするよう構成されている。
【００４１】
ＥＲモードは、例えば、回折モード（ＤＭ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、ＨＳＰ、及びＣＭを含んでもよい。
【００４２】
ＨＳＰは、空気／コンタクト及びコンタクト／半導体界面に対して平行な運動量（図１の
方向）を有する表面プラズモンモードである。ＨＳＰは誘電体／コンタクト界面の近傍に局在しており、高いフィールド強度と金属ワイヤにおける高い吸収性とを有し、通常は反射率（透過率）における最大値（最小値）を実現する。ＷＲは、伝播回折モードの兆候であり、これも空気／コンタクト又はコンタクト／半導体界面近傍に局在するが、ＨＳＰほどではない。ＷＲはＨＳＰのように高いフィールド強度を有せず、ワイヤにおいては低い吸収作用を有する。入射波長が減少（エネルギーが増加）すると、ＷＲは、まずＳｉと空気中の低い波長（高エネルギー）において、出力が第０番目の入射及び反射モードから回折モードへ次第に転換される点を示す。ＣＭは、溝部の幾何形状により生じる強制されたファブリーペロー共鳴条件を有する、溝部の壁面に対して垂直方向を向いた表面プラズモンである。ＣＭは、溝部内で高いフィールド強度を有する。透過現象の向上は、空気及び半導体におけるＣＭを介した伝播モードとＷＲの間のカップリングにより生じると考えられる。
【００４３】
一般に、あらゆる光波と同じく、ローカルＥＲ波は、方向性をもって直交モードに分解することができる。複合波は、その後、なんらかの一次結合のＥＲモードの重ね合わせとして説明される。ここで、複合波モードをハイブリッドモードと呼ぶ。従って、ハイブリッドモードは、例えばＤＭ、ＷＲモード、ＨＳＰ、及びＣＭなど、ＥＲモードのいずれの組み合わせを含んでもよい。ＭＳＭ及びその他の格子状構造におけるＳＰモードの２つの基本的種類、すなわちＨＳＰとＣＭは、それぞれ図１ａ及び図１ｂに示す例により説明される。この図は、ＭＳＭシリコン系デバイスのシミュレーション・モデルの一部を図示する。いずれの例においても、ここでコンタクト１０とも呼ばれる電極１０は、ピッチ１２が１μｍ、ワイヤ幅が０．７μｍ、コンタクト窓幅１４が０．３μｍ、厚さが０．５μｍのアルミニウム（Ａｌ）ワイヤである。ここで、コンタクト窓１４は、「溝部」とも呼ばれる。基板１６はシリコンを含む。
【００４４】
ここで、ピッチ１２は、第１アレーの電極の端部からその第１電極アレーの次の電極の端部までの距離を言う。従って、このピッチは、第１アレーの電極の幅とその第１アレーの隣接する電極間の間隔との合計に等しい。図１ａにおいて、デバイスには１つのアレーしか有しておらず、隣接する電極間の間隔はコンタクト窓幅１４である。従って、このピッチは、コンタクト窓幅１４と電極幅との合計である。
【００４５】
デバイスのスピードに対する２つの種類のＳＰモードの効果を示すために、図１ａ及び図１ｂに示す電磁場分布となるシミュレーションを行った。図１ａに示す第１位数のＨＳＰモードカップリングの分布は、０．３７ｅＶの入射光についてのシミュレーションで、これは約３．３５μｍの波長に対応する。図１ｂに示す磁場強度は、０．５５ｅＶでの第１位数のＣＭカップリングについてのシミュレーションで、これは約２．２５μｍの波長に対応する。いずれもエネルギーはＳｉのバンドギャップより小さく、従ってシリコンに対して使用可能な波長域外にある。しかしながら、このようなＳｉ系ＭＳＭデバイスにおけるＣＭ及びＨＳＰモードの表れは、バンドギャップ内のエネルギーがより高いところでも存在しうる。
【００４６】
ＨＳＰモードカップリングについて図１ａを参照すると、フィールドは、印加されたバイアスにより生じる静電場が小さい、コンタクトの真下にある強い電磁場強度２０により、コンタクト１０／半導体１６の界面１８に閉じ込められている。従って、これらの場所における光生成キャリアがそれぞれのコンタクトにたどり着くには長い時間がかかり、結果として応答時間が増加する。
【００４７】
ＣＭカップリングについて図１ｂを参照すると、磁場強度は、溝部１４内に、入射波を照射光学モード２２にカップリングする大きな電磁場強度を有しており、シリコン（Ｓｉ）（入射光波長８５０ｎｍでα＝３．８２×１０２／ｃｍ）等の吸収定数が小さい材料については、構造の内部深くに大きな場を生じさせる。従って、純粋なＣＭカップリングでは、それぞれのコンタクトへドリフトするまで時間がかかる場所に光生成キャリアが生じる結果となる。従って、対称とする波長域内でカップリングする１つのモードにのみ対応する構造は、高性能のＳｉ系のＭＳＭデバイス用の理想的な構成とすることができない。
【００４８】
図２を参照すると、本発明のＭＳＭデバイス３０の実施形態は、少なくとも１つの電極アレー、すなわち、少なくとも電極３２の第１アレーを含む。電極３２は略規則的なパターンで離間している。電極３２は、検出される外部光波３４と、ＣＭ、ＨＳＰ、ＷＲ、回折モード、又はこれらのいずれの組み合わせ（ハイブリッドモード）等のローカルＥＲ３６とを共鳴カップリングするよう構成されている。ＥＲ３６は、好ましくは、デバイス３０の検出器表面３８に対して略垂直な運動量の要素を有するＳＰを少なくとも含んでいる、すなわち、波３６は表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）を含む。デバイス３０は、さらに前記電極３２の少なくとも１つのアレーと重ね合わされた基板４０を含む。基板４０は、半導体材料を含むことが好ましい。
【００４９】
加えて、構造は電極３２の少なくとも１つのアレーと関連しており、この構造は、少なくとも表面プラズモン波のＣＭ要素を含むＥＲ又はハイブリッドモードに対応している。電気量を検出するために、センサ（図示せず）が、動作可能に電極３２に接続されていることが好ましい。
【００５０】
デバイス３０の検出器表面３８は、好ましくは略平面状の表面であり、その一部が外部光波３４に直接さらされており、またその一部が電極３２と基板４０との間の界面４２を形成する。検出器表面３８は、基板４０の表面と一致する。また、１つ以上の透過型光学材料の層、例えば反射防止膜が基板４０上に配されて検出器表面３８を形成してもよい。
【００５１】
本発明のＭＳＭ検出器の基板４０は、好ましくは半導体を含む。
【００５２】
半導性基板４０は、シリコン（Ｓｉ）等のＩＶ元素半導体、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）等のＩＩＩ−Ｖ半導体、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等のＩＩＩ−Ｖ三元化合物半導体、及び水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）等のＩＩ−ＶＩ半導体のうちいずれの半導体を含んでもよいが、これに限らない。
【００５３】
本発明に従って形成される高速・高感度ＭＳＭデバイスは、例えば約５００ｎｍ〜約１６００ｎｍの可視スペクトルから近赤外線スペクトルの入射光の検出に対して特に有用である。
【００５４】
本発明の一実施形態において、ＭＳＭデバイス３０はシリコンを含む基板４０を備える。好ましくは、動作波長域は約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍである。
【００５５】
別の実施形態では、基板４０はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。
【００５６】
別の実施形態では、本発明のシリコン系ＭＳＭデバイスは、宇宙ベースの用途に用いられるよう構成されてもよい。
【００５７】
本発明の別の実施形態では、基板４０はインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含む。好ましくは、デバイス４０の動作波長域は近赤外線を含み、例えば約１０００ｍ〜約１６００ｎｍである。最も好ましくは、この動作域は約１２００ｎｍ〜約１５５０ｎｍである。
【００５８】
別の実施形態では、本発明のＩｎＧａＡｓＭＳＭデバイスは高帯域通信システムで用いられるよう構成されてもよい。
【００５９】
最適化されたＭＳＭ検出器を設計する方法は、好適な感度の波長域及びその他特定の用途に関連する特性、例えば温度感度や吸湿性等に従い、特定の用途に対する半導体を選択することを含む。少なくとも一つの電極アレー３２の構造は、後述するように、用途及び好適な動作波長域による最適な電磁場プロファイルを作りだすように最適化される。
【００６０】
本発明の電極は金属を含む。更に電極は、隣接する電極間で電位差を有することを特徴とする。好ましくは、任意の２つの隣接する電極間の電位差は、一方の電極に正の電圧、隣接する電極に負の電圧を維持することにより実現される。
【００６１】
図２を参照すると、この電極はどのような形状でもよく、特定の用途におけるＥＲモードの最適なカップリングに好適な幾何学形状パターンに配置される。好適な構造は、好ましくは、特定の波長、入射角、及び偏光の入射光で、いくらかのＣＭカップリングを含むＥＲモードの発生を最適化する。光がこれらのパラメータを満たすとき、金属コンタクト３２の少なくとも１つのアレーを通過して半導性基板４０へと、この光の大部分が透過される。基板４０に導かれる光は、電子と正孔のペアを励起し、これらの電子と正孔のペアは、その後コンタクト３２によって集められ、好ましくは光電流を発生する。垂直方向の表面プラズモンＣＭを介した入射光及び透過波要素のカップリングにより、集められた光の量は、半導体材料の面積に直接、すなわち電極３２により覆われていないコンタクト窓４４それぞれを通過して入射した光の量よりも多くなる。
【００６２】
好ましくは、これらの電極は略長方形状をしており、検出器表面３８に対して略直角である。この電極は、また、基板４０において略直線的に垂直な端部により特徴付けられることが好ましい。
【００６３】
一実施形態において、例えば第１アレー３２にあるような電極と基板４０との間の端部は、略曲線状又は傾斜していることを特徴とする。製造時に発生する略傾斜した端部は、基板４０の表面プラズモン、ＷＲ、又は回折モードのカップリングに影響を与えることなく、モード３６の共鳴エネルギーをシフトすることができ、本発明に従って形成されるデバイスのパラメータの最適化する上で考慮しれなければならない。
【００６４】
図３に示すように、この電極は、櫛形金属電極４６であることが好ましい。櫛型電極は、半導体基板の表面に配されたときに、連続ショットキ接触を形成する指状部４８を有する。
【００６５】
図２及び図３の両方を参照すると、デバイス３０の電極構造は、従来のＭＳＭデバイスより複雑であってもよい。一実施形態において、少なくとも１つの電極アレーは、略規則的に離間した電極３２の第１アレーと、略規則的に離間した電極の第２アレー５０とを含む。図２には電極アレーは２つしか図示していないが、さらにアレーを組み込んだより複雑な構造も、本発明の範囲にある。図２に示すこれらの２つのアレーは交互に配置又は、互いにかみ合った状態になっており、図３に示すように、第１電極３２と第２電極５０とが交互に配列されたパターンを形成するように、櫛型電極４６を用いることが好ましい。例えば、第１アレー３２は、正の電位に維持される電極５２のトップアレーによって表わすことができ、第２アレー５０は、負の電位に維持されるボトムアレー５４によって表わすことができる。第１アレー３２と第２アレー５０の電極は、外部光波３４と表面プラズモン波３６の少なくともＣＭ要素を共鳴カップリングするように構成されている。
【００６６】
これら２つのアレーは、互いに異なる１以上の特徴を有する。一般に、第１アレー３２は、第１誘電率を有すると共に第１コンタクト窓４４の第１幅、第１コンタクト幅５６、ここでは高さ５８とも呼ばれる厚み５８、及びピッチ６０と関連する第１金属を含む。同様に、第２アレー５０は、第２誘電率を有すると共に第２コンタクト窓６２の第２幅、第２コンタクト幅６４及び厚み６６と関連する第２金属を含む。電極構造の周期性を表わすピッチ６０は、図示するように、第２コンタクトを用いて定義することもできる。従って、隣接する電極は、異なる材料からなり、異なる幅と厚みを有することができる。
【００６７】
加えて、交互に存在するコンタクト窓領域は、異なる誘電体材料を有してもよい。デバイス３０は、第１アレー３２の１つの電極から第１アレー３２の隣の電極に延びる第２（より低いプロファイルの）アレー５０の電極の高さの上方にあるコンタクト窓領域７０に関連する誘電率ε２を有する、好ましくは膜である誘電体材料を含んでもよい。デバイス３０は、好ましくは、第１アレー３２の電極の後端から第２アレー５０の電極の隣接する先端（低いプロファイルの（第２）アレー５０の電極の高さの下方）に延びる第１コンタクト窓４４に関連する誘電率ε３を有する、第１誘電体材料、又は第１コンタクト（溝部）誘電体を含む。デバイスは、さらに、第２アレー５０の電極の後端から第１アレー３２の電極の隣接する先端に延びる第２コンタクト窓６２と関連する第２誘電率ε４を有する第２誘電体材料を含むことが好ましい。この誘電率のうち、コンタクト窓領域に関連する１つ以上の誘電率が異なっていてもよい。
【００６８】
コンタクト窓領域７０は、ε＝１の空気であってもよい。同様に、一実施形態の２つの誘電体上方の領域６９が、空気であってもよい。
【００６９】
本発明にかかる方法において、ＭＳＭデバイス３０は、このような大幅な構造的可変性を利用して最適化され、最適なＥＲモードカップリングを作り出し、構造を正しく設計することにより特定の電気光学特性を実現する。
【００７０】
この方法は、表面インピーダンス境界条件（ＳＩＢＣ）方法の拡張バージョンの利用を含んでもよい。ＳＩＢＣ方法は、当業者にとって周知である。改良された拡張ＳＩＢＣアルゴリズムにより、図２に示す複雑な構造の数値モデリングが可能となる。従って、構造的特徴又は非対称性は、デバイス３０のモデリングにおいて、変更、分析、最適化が可能である。それは異なる金属からなる金属ワイヤを交互に配する、異なる誘電率の材料を交互に溝部に配する、幅の異なる金属ワイヤを交互に配する、厚みの異なる金属ワイヤを交互に配する、又はオフセットした金属ワイヤを交互に配する、すなわちコンタクト窓４４の幅とコンタクト窓６２の幅とが等しくない（図２において、（ｘ２−ｘ１）≠（−ｘ５＋ｘ４））ということである。
【００７１】
調査によって、これらの非対称性はそれぞれ、ＥＲモードに対して、高性能光検出器の設計に有用な異なる効果を生み出すことがわかった。
【００７２】
上記５つの非対称構造を調整することにより、特定の用途のための、ＥＲ強化ＭＳＭ光検出器に最適な電磁場を得ることができる。例えば、高帯域・高感度用途に特に重要な２種類の検出器であるＳｉ系ＩｎＧａＡｓＭＳＭ検出器に、異なる最適な構造を適用する。ＨＳＰ及びＣＭ表面プラズモンモードの「ハイブリッド」化を説明するために、例えば、ＨＳＰモード、ＣＭモード、及びＨＳＰ及びＣＭモードをＨｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅで組み合わせたハイブリッドＳＰモードの比較を、図４ａ，図４ｂ，図４ｃのそれぞれに示す。
【００７３】
図４ａにおいて、Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅの基板のＭＳＭデバイスについて、０．３６ｅＶで第１位数のＨＳＰモード７６の有効電磁エネルギー密度の図を、ＨＳＰ及びＣＭモードを調整する修正を行わない状態で示す。図４ｂは、同じ構造について、０．５ｅＶで第１位数のＣＭモード７８の有効電磁エネルギー密度を示す図である。最も輝度の高い領域（白い部分）は、エネルギー密度が最も高いことを示す。
【００７４】
図４ｃは、本発明に従って形成されたＨｇ．２７６Ｃｄ．３２４ＴｅのＭＳＭ構造について、０．３７ｅＶにおけるＳＰ８０のハイブリッドモードの有効電磁エネルギー密度を示す図である。第１アレー３２及び第２アレー５０双方の電極は、Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含む。第１及び第２アレー双方のコンタクト幅（ｗ）、コンタクト窓幅（ｃ）、及び厚み又は高さ（ｈ）は、それぞれ、ｗ＝０．１μｍ、ｃ＝０．３μｍ、ｈ＝０．６５μｍである。第１アレー３２及び第２アレー５０双方のコンタクトはアルミニウム（Ａｌ）を含む。第１コンタクト窓４４の溝部誘電率は３．２５であり、第２コンタクト領域６２は１．０である。
【００７５】
本発明の光デバイスの一実施形態において、基板は水銀カドミウムテルルを含む。第１及び第２電極は、それぞれ、金属、好ましくはアルミニウムを含む。加えて、第１誘電率は約１．７５〜約４．０の範囲にあり、第２誘電率よりも大きいことが好ましい。
【００７６】
一実施形態において、第１誘電体はシリコン酸化物を含む。
【００７７】
別の施形態において、第２誘電体は空気である。
【００７８】
本発明の水銀カドミウムテルルの基板を備え、第２誘電率よりも大きい約１．７５〜約４．０の範囲の第１誘電率を有する光デバイスは、又はハイブリッドＥＲモードと共鳴カップリングする構造を含むことが好ましい。このハイブリッドモードは、少なくともＳＰキャビティモードとＨＳＰモードを含むことが好ましい。
【００７９】
一実施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータを含む。
【００８０】
別の施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約４．０マイクロメータ〜約１５．０マイクロメータを含む。
【００８１】
別の施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約１５．０マイクロメータ〜約２５．０マイクロメータを含む。
【００８２】
別の施形態において、水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、２．０マイクロメータ〜４０．０マイクロメータの間の任意の範囲を含む。
【００８３】
水銀カドミウムテルルの基板を含む光デバイスは、約０．５マイクロメータ〜約０．９マイクロメータの第１及び第２窓幅を含んでもよい。第１及び第２コンタクト厚みは、それぞれ約０．４５〜約０．８５マイクロメータの範囲から選択されることが好ましい。加えて、第１コンタクト幅及び第２コンタクト幅は、それぞれ約０．２〜約０．５マイクロメータの範囲から選択されることが好ましい。
【００８４】
吸光係数の高い直接的バンドギャップ材料では、図４ｂに示すエネルギー密度分布により特徴付けられるデバイス７８にカップリングされたＣＭモード、又は図４ｃのエネルギー密度分布８０を示すハイブリッドＳＰモードのいずれかが、この直接的バンドギャップ材料における高性能ＭＳＭ検出器の製造に対する有用なモデルであることがわかる。この場合、電界強度は、静的な印加された電界が最大となる電極の間のコンタクト窓領域で最大であり且つ集中する。従って、高速レスポンスが実現される。これに対して、図４ａに示すＨＳＰモードカップリング７６については、コンタクト窓４４及び６２の内部及び下方のエネルギー密度は、コンタクトの上方の領域８２への入射ビームのエネルギー密度よりそれほど大きくはない。また、かなりの部分は、直接両方のコンタクト３２及び５０の下方の中央部分に位置している。この領域に局在する電荷担体は、望ましくない長い移動時間をかけてそれぞれの電極にたどり着く。
【００８５】
図５において、本発明に従って形成されるシリコンＭＳＭデバイスのハイブリッドモードを示す。Ｓｉは、８５０ｎｍで約３．８２×１０２／ｃｍという低い吸収係数（α）直接的バンドギャップ材料にある。ＳｉＭＳＭ構造は、厚み０．１２５μｍの金（Ａｕ）コンタクト８４を含む、１．０８μｍのピッチ８６、０．４３μｍのワイヤ幅、０．１１μｍのコンタクト窓８８の幅、及び約３．８の第１コンタクト窓領域８８の第１溝部誘電率の第１アレーを含む。コンタクト９０（１つのみ図示）の第２アレーは、第２コンタクト窓領域９２が約１．０に等しい第２溝部誘電率を有することを除いては同一のパラメータを有する。この構造は、ＣＭ及びＷＲからなるハイブリッドモードとＳｉの回折要素が１．６ｅＶで整列し、また少なくとも約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲で動作するＳｉ系ＭＳＭデバイスに望ましい電磁エネルギープロファイルを作り出すように設計される。図５は、１．６ｅＶでのハイブリッドモード９４の有効電磁エネルギー密度を示しており、ここで、エネルギー密度が最も高い領域は最も明るい境域（白）で示される。発生したハイブリッドモードは、主にコンタクト窓の下のコンタクト／Ｓｉ界面の近傍の電磁場９４に集中する。以上より、隣接する窓では、生成される光電流の量が実質的に異なる。
【００８６】
本発明のシリコンＭＳＭデバイスの実施形態において、基板はシリコンを含み、電極構造は、少なくともＣＭ及びＨＳＰモードを含むハイブリッドモードに共鳴カップリングされるよう最適化される。このデバイスの好適な動作波長域は、約８３０ナノメータから少なくとも８５０ナノメータを含む。加えて、各コンタクト幅は、それぞれの窓幅よりも大きい。
【００８７】
好ましくは、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあり、第２誘電率よりも大きい。
【００８８】
一実施形態において、第１窓幅及び第２窓幅はそれぞれ、０．０７５μｍ〜０．２５μｍの範囲から選択される。
【００８９】
別の施形態において、前記第１及び第２コンタクト厚みはそれぞれ、約０．０７５〜約０．２μｍの範囲から選択される。
【００９０】
別の施形態において、前記第１コンタクト幅及び第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２μｍ〜０．４μｍの範囲から選択される。
【００９１】
図５を参照すると、ＣＭモードの特徴を示す電磁エネルギープロファイルを形作るためには、ＣＭ／回折モードハイブリッドを作り出すＨＳＰモードとＷＲモードの間にわずかにずれがあることが、好適な波長域にわたって完全に一致するよりも望ましい。電磁エネルギー密度は、構造をかなり上回る入射ビームにより作りだされた電磁エネルギー密度に比べておよそ４０倍に増幅される。従って、このエネルギー密度が高い領域は窓領域内では小さいものの、この領域内で作り出された電子と正孔のペアが高濃度に存在し、吸収が大きくなり、Ｓｉの吸収長を「効果的に」減少させる。このコンタクト／Ｓｉ界面近傍の窓領域は、電荷担体が作り出されるには最も望ましい場所である。それは、印加されるバイアスによって作り出される静電場がこの領域において最大になり、担体をそれぞれのコンタクトに急速に引き寄せることができるからである。従って、図５のエネルギー密度プロファイル９４により説明されるデバイスは、高帯域動作が可能である。
【００９２】
特にＳｉ基板を用いる本発明のＭＳＭデバイスにおいては、吸収係数が低い（例えば好適な動作波長域において１０３／ｃｍより小さい）他の半導体材料を用いるＭＳＭデバイス同様、電界が、ＭＳＭデバイスのコンタクト窓領域の小さな領域内で増幅されて濃度が高くなるよう設計されることが最も好ましい。この領域内の静電磁場では、電子／正孔担体をそれぞれの電極に引き寄せる力が最も強い。従って、電磁場密度プロファイルを適切にパターニングすることにより、高帯域ＭＳＭ光検出器に用いられるＳｉの吸収長は効果的に短縮される。
【００９３】
図６を参照すると、本発明のＭＳＭデバイスの別の実施形態は、関連波長域内での吸収係数が高いことを特徴とする半導体を有することが好ましい。本発明の検出器１１０は、略規則正しいパターンで離間した複数の電極１１２を備える。電極１１２は、検出される外部光波１１４とローカル波、例えば表面プラズモン波１１５とを共鳴カップリングするように構成される。表面プラズモン波１１５は、検出器１１０の検出器表面１１６に略垂直方向の運動量要素を含む。すなわち、波１１５はＣＭを含む。センサ（図示せず）は、電気量を検知する電極１２に接続されている。
【００９４】
検出器表面１１６は、部分的に外部光波１１４に直接露出略平面状の面であることが好ましい。検出器表面１１６は、基板１２２の表面と一致する。また、検出器表面１１６を形成するように、１つ以上の透過型光学材料の層を基板１２２上に堆積させてもよい。
【００９５】
この実施形態において、複数の電極１１２に関連する構造は、優先的にＣＭ１１５をサポートする。この特定の構造及びＣＭモードカップリングは、一般に、電極１１２の周囲に光を導くことにより、効率的かつ高められた入射波１１４の透過を促進する。
【００９６】
光学検波器１１０は、さらに半導体材料を含む複数の電極１１２と重ね合わされた基板１２２を備える。
【００９７】
本実施形態の基板１２２は、上記いずれの半導体を含んでもよい。しかしながら、図６に示す特定の実施形態については、好適な基板１２２は、少なくとも１つの直接的バンドギャップ半導体を含む。この半導体は、望ましい検出波長域における吸収係数が高いことが好ましい。最も好ましくは、この吸収係数は約１０３ｃｍ−１より大きい。
【００９８】
近赤外域（例えば約１．０μｍ〜約１．６μｍ）の高帯域・高感度のデバイスに用いられるデバイス１１０の一実施形態において、基板１２２はＩｎＧａＡｓを含む。これらのデバイスは、特に高帯域通信システムに有用である。
【００９９】
近・中赤外域（例えば約１．０μｍ〜約２６μｍ）で用いられる高帯域・高感度のデバイスに用いられるデバイス１１０の別の実施形態において、基板は水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）を含む。用途としては、サーモグラフィ、ＣＯ２レーザー検出、及びミサイル誘導などが含まれる。化合物半導体は全てそうであるように、ピーク応答の波長は材料のバンドギャップエネルギーに依存する。このバンドギャップエネルギーは、合金組成を変えることにより（この場合、相当広い範囲で）容易に変化する。
【０１００】
図６に示す実施形態の検出器１１０は、略垂直な表面プラズモン又はキャビティモード１１５に対応するのに十分なアスペクト比により特徴付けられる。このアスペクト比は、電極１１２の高さ１１８の、隣接する電極１１２間の間隔１２０に対する比である。
【０１０１】
一実施形態において、表面プラズモン波の運動量の略垂直な要素に対応するためには、アスペクト比は、少なくとも１である。
【０１０２】
別の施形態において、アスペクト比は、少なくとも３である。
【０１０３】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは約１６より小さい。
【０１０４】
好適な実施形態において、アスペクト比は、少なくとも約４〜約１０より小さい。
【０１０５】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは少なくとも約１０よりも大きく約１５よりも小さい範囲にある。
【０１０６】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは少なくとも約７〜約１２より小さい。
【０１０７】
一実施形態において、アスペクト比は、３以上１６以下である。
【０１０８】
さらに別の実施形態において、アスペクト比は、少なくとも約１０よりも大きく約１５よりも小さい範囲にある。
【０１０９】
表面プラズモンは、金属表面における電磁励起であり、一旦励起されると、エネルギーの一部が隣接する表面、この場合は半導体に転送される。従って、表面プラズモンは、光検出器の効率を高めるという利点を有する。従来技術のデバイスでは、検出器の面上にありこれと平行な表面プラズモンが、半導体にカップリングされた光量を向上させることがわかったため、表面プラズモンの考え方を、平ら又は低いプロファイルの電極幾何形状に応用した。
【０１１０】
さらに図６を参照すると、本発明のＭＳＭ検出器は、光の透過率を向上させるために、さらに検出器表面１１６、すなわちＣＭに略垂直方向の表面プラズモンを利用する。向上された透過率は、アスペクト比の高い電極構造を用いることにより実現することができる。向上された透過率は、電極１１２の隣接する指状部の間の間隔１２０をより小さく、また高さ１１８をより高くすることを可能とする。電極の高さ１１８が高いため、電極１１２の指状部の抵抗が小さくなり、デバイスの光感度を著しく下げることなく高速のデバイスを作り出す。小さい間隔１２０は、光生成キャリアの移動時間を短縮し、従って、同様にデバイスの光感度を著しく下げることなくデバイスの速度を速める。
【０１１１】
本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の間隔は、好ましくは約２０ナノメータ（ｎｍ）以上である。
【０１１２】
本発明に従って形成されるＭＳＭデバイスのさらに別の実施形態において、コンタクト、例えば櫛型指状部の特定の好適な幾何形状及びアスペクト比は、好適な波長、偏光性、及び所望の入射角感度によって決定される。最適な高さ１１８及びアスペクト比は、好ましくは、本発明に従って形成される光学検波器１１０の可視波長感度の好適な範囲により、ある程度決定される。一般に、コンタクト又は指状部の高さ１１８が高くなると、表面プラズモンエネルギーは減少し、対応する表面プラズモン共鳴の波長は増加する。高さ１１８は、好ましくは表面プラズモン共鳴波長が半導体１２２のピーク応答性での波長に対応するように選択され、検出器１１０は、半導体材料のピーク分光応答度の範囲の光の検出に最適化される。
【０１１３】
一実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の最小の高さは、約５０ｎｍである。
【０１１４】
さらに別の実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の高さは、約７５ｎｍ〜約７５０ｎｍの範囲にある。
【０１１５】
別の実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の最大の高さは、約１５００ｎｍである。
【０１１６】
別の実施形態において、電気コンタクトの高さは、好適な検出波長域に匹敵するものである。
【０１１７】
さらなる実施形態において、電気コンタクトの高さは、２マイクロメータよりも大きい。
【０１１８】
偏光及び入射角が、特定の波長に集中し、直線状の段のあるプロファイル又は格子構造を介して透過する入射光の量へ依存することは、当業者には周知である。本発明の略規則的な電極パターンは、格子状構造を示す。従って、電極構造の幾何形状（特に、間隔１２０及び電極ピッチ）は、検出されるべき特定の波長の入射光の好適な入射角を向上するようさらに最適化されていることが好ましい。当業者には周知のように、透過される直線状に偏光した光の量は、主として電極構造の向きに対する入射偏光波の向きにより決定される。
【０１１９】
従って、本発明のデバイスは、略規則的な電極構造（すなわち、電極格子）によって生じる当業者には周知の共鳴カップリング効果を利用するために、電極の間隔、ピッチ、及び向きを最適化することが望ましい。これらのパラメータは、本発明に従って形成される検出器の好適な波長、偏光、及び入射角感度に従って最適化される。増加するスピードに対する抵抗を減少し、同時に、略垂直な表面プラズモンモードにカップリングする共鳴により好適な波長感度範囲内の光の透過を向上させるために、電極コンタクトの高さをさらに最適化する。
【０１２０】
さらに別の実施形態において、本発明のＭＳＭデバイスは、さらに略規則的なパターンで離間した、基板及び前記複数の電極と重ね合わせて配置される第２複数の電極を備える。この第２複数の電極は、第１電極の指状部の向きに相対的な角度で回転し、前記検出器表面の表面にある。この第２複数の電極は、好ましくは、第１電極の指状部に対して約９０°の角度で回転する。
【０１２１】
この第２複数の電極は、また、検出器表面に略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波に対応するよう構成されている。本実施形態のＭＳＭデバイスは、好ましくは、デバイスに入射する偏光されていない光の、少なくとも直交する直線状の偏光要素を共鳴カップリングし、従って、偏光されていない光の検出を向上するという利点がある。
【０１２２】
略垂直な運動量の要素を利用することにより、従来技術とは反対に、高い光感度及び速い応答時間の両方を、好適な波長、偏光、及び入射角で実現することができる。高いアスペクト比構造が、特にＣＭ表面プラズモンに対応するように構成される。
【０１２３】
図７を参照すると、本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の好適な実施形態１３０は、電極１１２の隣接する指状部の間の深い間隔１２０に位置する第２半導体材料１２８を備える。第２半導体１２８は、基板１２２と同じ半導体材料を含むことが好ましい。本実施形態において、吸収する半導体材料１２８は、好ましくは表面プラズモンにより生じる増幅した電磁場に位置し、従って、図７に示すデバイス１３０が既存のデバイスよりも高感度となる。
【０１２４】
光検出器の応答速度は、通常、デバイスが光に露出された後に均衡状態に戻るために必要な期間として定められた固有の応答時間により部分的に制限される。言い換えると、光のパルスが一般的なＭＳＭ検出器の半導体材料を透過するとき、半導体から電極方向へ引き寄せられる正孔対を生成する。正孔は負に帯電した電極の方へ移動するが、電子は正に帯電した電極の方へ移動する。光生成電子と正孔は、半導体材料を離れてそれぞれの電極に到達するか、又は互いに再結合する。電子と正孔の濃度が均衡状態に戻るまでにかかる時間が、固有の応答時間である。固有の応答時間は、通常、電極間の電子と正孔の移動時間又はキャリアの再結合時間により制限される。
【０１２５】
従って、従来技術のＭＳＭデバイスの応答速度は、隣接する電極間の間隔を減少させることにより速くなる。しかしながら、応答速度は、また、電極の抵抗とキャパシタンスにより部分的に制限され、電極の抵抗とキャパシタンスの結果に反比例する。従来技術においては、キャパシタンス及び移動時間は、いずれも、隣接する電極間の間隔及び電極の幅を減らすことにより、短縮することができるという利点が認識されている。しかしながら、そうすることにより、デバイスの抵抗は増加し、従ってデバイスの速度が減少する。
【０１２６】
図６に示すデバイス１１０及び図７に示すデバイス１３０の実施形態を参照すると、デバイス１１０の抵抗を低くするために高さ１１８とアスペクト比を増加しつつ、隣接する電極間又は電極の指状部間の間隔を減らして（移動時間を短縮することにより）スピードを速くすることにより、この固有の応答時間が短縮され、好ましくはデバイスの応答速度が速くなる。
【０１２７】
また図３を参照すると、本発明のＭＳＭデバイス１１０の応答速度は、例えば、櫛型電極４６のいわゆる指状部４８の抵抗とキャパシタンスの結果の逆に比例する。指状部の長さＣ０ごとのキャパシタンスは、以下の数式１により定義される。
【数１】
ここでＣ０は指状部の長さごとのキャパシタンス、ε０は自由空間の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）、εｒは半導体の誘電率、Ｋ（ｋ）及びＫ（ｋ’）は以下の数式により定義される楕円積分である。
【数２】
【数３】
これらの数式において、ｗは電極幅であり、ｐは電極ピッチである。
【０１２８】
加えて、デバイス１０の総キャパシタンスＣは、以下の数式により、ピッチｐに反比例する。
【数４】
ここで、Ａｄｅｖｌｃｅ＝ｌｄｅｖｌｃｅ×ｗｄｅｖｌｃｅはデバイスの総面積であり、ｌｄｅｖｌｃｅ及びｗｄｅｖｌｃｅは、それぞれデバイスの長さと幅である。
【０１２９】
数式（１）〜（４）をあてはめ、指状部幅のピッチに対する比１３６の関数としての指状部の長さＣ０ごとのキャパシタンスをプロット１３２した図を図８に示す。図８より、電極指状部４８間の間隔１２０が固定電極ピッチｐに対して減少すると（又は、同等に、電極幅ｗがピッチに対して増加するとき）、全体としてのキャパシタンスＣが増加し、そのため、デバイスの速度が制限される。電極指状部の厚み１１８を増やして抵抗を低くすることによりキャパシタンスの増加が相殺され、電子の移動時間を短縮することにより間隔１２０が減少されて速度が速くなる。
【０１３０】
従って、本発明の一実施形態に従って形成されたデバイスの構造は、少なくともアスペクト比１を含み、検出器表面に対して略垂直な表面プラズモン共鳴モードを優先的にサポートする。この構造は半導体基板への光のチャネリングを促進する。アスペクト比の高い幾何形状により、抵抗が低くなり、電極間隔を減少することにより生じるキャパシタンスの増加の帯域幅を広げる効果を相殺し、デバイスの応答速度を速くする。さらに、電極の高さは、好ましくは好適な波長感度範囲に最適化され、速度、所望の好適な波長及び入射角及び偏光感度に対する高さと間隔の効果を考慮することにより、デバイスの最適アスペクト比及び好適な幾何形状が見出される。
【０１３１】
従来技術のデバイスにおける表面プラズモン共鳴の効果のモデルを作り、本発明に従って形成されるＭＳＭデバイスのＳＰを含むＥＲモードを最適化するために、数値モデルが開発されてきた。
【０１３２】
例えば、図９において従来技術のデバイスの分散曲線１４０を示す。エネルギーは、平面１４４上の表面プラズモン及び若干周期的に変調された金属表面１４６上の表面プラズモンモード用の全ての可能な発光モード（斜線部１４２）に対する波動ベクトルの関数として図示される。平面上の表面プラズモンモードを示す線１４４は斜線部１４２内に位置することはなく、これらのモードが光と互いに影響し合うことがないことを示す。偏光されたモードは斜線部１４２に位置し、光と互いに影響し合うことができる。これらのモードは、従来技術のデバイスを代表するデバイス表面に平行な運動量の要素のモードである。
【０１３３】
図１０は、周期的に小さく変調される空気／金属界面を有する表面１５４に平行な運動量Ｋｓｐ１５２を有する、一般的な（水平）表面プラズモンモード１５０の電磁場プロファイルを表わす。このフィールドは界面１５４において増幅され、検出器感度を高める。
【０１３４】
図１１を参照すると、アスペクト比が高い本発明のＭＳＭ検出器の分散曲線１６０は、図９と比較すればわかるように、ＨＳＰカップリングに最適化された従来技術のＭＳＭ検出器の分散曲線とは顕著に異なる。図１１に示すアスペクト比が高いＭＳＭデバイスは、厚みが２５０ｎｍで、２５０ｎｍ離れたコンタクトで、コンタクト間が３０ｎｍ開いた、８よりも大きいアスペクト比に対応するアルミニウムコンタクトを有する。
【０１３５】
図１１は、ｙ軸上のエネルギーとｘ軸上の正規化された平面運動量（すなわち、デバイスの表面に平行な運動量）の関数としての、この構造に入射する光の反射率のグラフである。反射率曲線の最小値は、表面プラズモンモードの存在を示している。図１１において、これらの最小値を濃い斜線又は斜線部で示す。
【０１３６】
図１１に示すｋｘ／（Ｋ／２）＝０（すなわちｙ軸）に近く、またこれに沿った表面プラズモンモードは、０に近い平面運動量及びデバイスの表面に対して略垂直な０ではない運動量を有する表面プラズモンモードに対応する。励起した又はこれらのモードを作り出す光は、略正規の入射光（すなわち、入射角が０の光）であり、ＭＳＭデバイスの利用において普通に見られる入射角である。
【０１３７】
この例で、検出器は、約５００ｎｍの可視波長における入射光での高められた透過に対応した約２．５ｅＶに集中するエネルギーに最適化される。
【０１３８】
図１２は、図１１に示すアスペクト比の高いＭＳＭ検出器の電磁場プロファイル７０のプロットである。
【０１３９】
本発明で開発される数値モデルは、ＷＲ異常、回折モード、ＣＭ及びＨＳＰモードを含むＥＲのいずれの組み合わせに利用されてもよい。同じモデルは、後で説明するシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造（図２２参照）により得られるファブリーペロー共鳴の分析に用いることもできる。
【０１４０】
上述のとおり、特定の格子構造の向上された透過の理由となるメカニズムについて、次第に受け入れられてきている見解は、垂直表面共鳴（ＶＳＲ）モードとも呼ばれる、ＣＭを介した最上層（空気）／コンタクト及びコンタクト／ボトム層（半導体）の界面上の、格子の溝部内のウッド・レーリー異常カップリングである。厳密カップリング平面波（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｎｅ ｗａｖｅ：ＲＣＰＷ）法、積分法、時間領域有限差分法、及びモード法を含む、いくつかの数値モデリング方法が、格子構造の光学的特徴を計算するために用いられてきた。
【０１４１】
本発明は、図２に表す複合構造ＥＲモードの分析に表面インピーダンス境界条件（ＳＩＢＣ）を拡大適用する。
【０１４２】
ＳＩＢＣ方法は、例えばＬｏｃｈｂｉｈｌｅｒ他「共鳴領域における高伝導針金格子」アプライド オプティクス、３２（１０）、３４５９〜３４６５ページ（１９９３）に記載されるように、誘電体／金属界面における電場及び磁場の接線要素間の以下の関係に組み込む近似値を用いる。
【数５】
ここで、Ｚ＝１／ｎｍｅｔａｌ、ｎｍｅｔａｌは金属の複素屈折率、
は誘電体／金属界面における誘電体に導かれる単位法線ベクトルである。ここで用いられる単位は、特に断りがない限りｃｇｓである。ｐ偏光及びマクスウェル方程式を用いることにより、以下が求められる。
【数６】
ここで、
は、誘電体／金属界面における誘電体材料の誘電率、
である。
【０１４３】
以下の例においては、全てのコンタクトが同一の厚みを有するものとして、拡張ＳＩＢＣ方法を用いて図２に示す構造を分析する。電磁場を計算する領域は４つある。領域１は空気領域６９、領域２は左溝部４４、領域３は右溝部６２、領域４は基板４０である。ＳＩＢＣ方法においては金属ワイヤの場は計算しないが、完全導体の近似式のように０と考えられているわけではない。ＳＩＢＣ方法の新しい見地がいくつか発展しており、ここで簡単に説明を加える。関数ｆｉ（ｘ，ｙ）をｉ番目の領域でｐ偏光された磁場とする。領域１〜４は以下のように表される。
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
ここで、
は構造の期間６０（１つの指状部から次の類似の及び同様に囲まれた指状部までの距離）、θｉは入射角、λは波長、εｉはｉ番目の領域の誘電率である。また、モードΦｉ，ｎはｉ＝２，３のとき、溝部において直交するモードの組を構成し、以下のとおりとなる。
【数１１】
【数１２】
【数１３】
ここで、δ２＝−ｘ５、δ３＝ｘ１、及び項μｉ，ｎ及びυｉ，ｎは次の関係に従う。
【数１４】
【０１４４】
上記のとおりフィールドを表した後、ＳＩＢＣ条件をまず用いてｄｉ，ｎ及びμｉ，ｎの項を計算する。溝部の左側に条件を適用することにより、以下の関係が得られる。
【数１５】
【０１４５】
ηの添え字は、領域（単純化された構造において１〜４のいずれか）を示す。また、ワイヤは異なる金属からなってもよいため、ηの添え字は、その特定の位置において金属／誘電体界面にどの金属が存在するのかを表さなければならない。空気及び基板領域においては、左、中央、及び右のη項がηｉＬ、ηｉＭ、ηｉＮと表される。２つの溝部領域においては、左及び右のη項しか存在しない。
【０１４６】
ＳＩＢＣ条件を２つの溝部の右側にあてはめると以下の関係が成り立つ。
【数１６】
【０１４７】
式１６は、数的にμｉ，ｎの値を求めなければならない。正確な結果が保証されるように、μｉ，ｎの値を正確に求めることは重要である。ｐ偏光については、ニュートン・ラルフソン法が通常は適当である。ｓ偏光については、式１６はより能力のある方法により求めなければならない。左手及び右手の境界金属が同じであれば、式１６は他等のＳＩＢＣ方法に関するそのほかの文献に記載の標準的な超越数の数式に変換する。
【０１４８】
不確定な係数Ｒｎ、Ｔｎ、ａｉ，ｎ、及びｂｉ，ｎは、その後、電場及び磁場の接線要素がどの界面でも連続して続くことを利用して確定される。領域１及び２の間、１及び３の間、２及び４の間、ならびに３及び４の間で界面の接線フィールド要素を標準化することにより、その間隔に対する数式が得られる。−ｘ５≦ｘ≦−ｘ４及びｙ＝０、ｘ１≦ｘ≦ｘ２及びｙ＝０、−ｘ５≦ｘ≦−ｘ４及びｙ＝−ｈ、ｘ１≦ｘ≦ｘ２及びｙ＝−ｈ。ＳＥＢＣ条件を強制することにより、ｙ＝０及びｙ＝−ｈについて、さらに３つの数式が生まれ、これは比較的簡単に使うことができ、マトリックス数式に変換される。まず、領域２及び３における直交モードの組を構成するモードＸ２，ｍ（ｘ）及びＸ３，ｍ（ｘ）は、例えば、溝部の左右の境界となる金属が同一である場合に用いることができる。しかしながら、これらのモードは、金属が異なる以下の正規化係数を有する場合にも直交する。
【数１７】
係数Ｎ３，ｍｎは、各項の添え字の２を３にするだけで同様である。上記の数式から、最終的に６つのマトリックス数式が導き出され、これはデバイス全体のフィールドプロファイルを表わす。この数式には、その後、入力ビームＩの振幅が与えられて、反射率、透過率、吸収、及び電磁場プロファイルが求められる。
【０１４９】
上述のとおり、本発明のＭＳＭデバイスの格子状電極構造用のＥＲモードには、水平表面プラズモンモード（ＨＳＰ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、及び垂直キャビティモード（ＣＭ）という、３種類の基本的なタイプがある。これら３つのモード及びその効果の例を、図１３〜図１４に示す。同一の幅５６が１５０ｎｍ、厚み５８が４００ｎｍ、第１コンタクトアレーのピッチ６０が６００ｎｍの金（Ａｕ）コンタクトと溝部の空気を有するＳｉＭＳＭ構造について、法線入射についての、シリコン（Ｓｉ）における反射率１８０、透過１８２、及び±第１位数の回折効率１８４を図１３に示す。このコンタクトは全て同一であるので、「真」のピッチは３００ｎｍである。図１３を参照すると、０．７３ｅＶでの広いＣＭ、１．１２ｅＶでのＨＳＰモード、及び関連する１．１６ｅＶでのＷＲがある。ＨＳＰは透過率におけるはっきりとした透過率の最小値をもたらし、ＣＭは透過率における最大値をもたらす。これらの３つのＥＲモードの磁場強度を、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、及び図１４（ｃ）に示す。図１４（ａ）は、１．１１ｅＶのＨＳＰについての有効電磁エネルギー密度のプロットである。ＨＳＰモードは、波長及び入射角に強く依存するという特徴を有する。一般に、ＨＳＰモードは、関連するＷＲ共鳴よりもわずかに低いエネルギーを有する。構造的に、ＨＳＰモードは、コンタクトピッチに対する中度から強度の依存を有し、コンタクトの厚み５８及びコンタクト窓幅に対する依存は小さく、第１金属コンタクト３２及び第２金属コンタクトに対して中度の依存を有する。
【０１５０】
ＨＳＰ１８６に対応する電磁場は、コンタクト／半導体界面の近傍で集中し且つ増幅され、電界強度の高い領域はこのコンタクトの真下に存在し、コンタクト窓の下には少ない。
【０１５１】
図１４ｂを参照すると、１．１６ｅＶのウッド・レーリー異常共鳴が示され、入射ビームの波長と入射角及び構造パラメータに対するＨＳＰと類似の依存を有することが示されている。加えて、ＷＲ電磁場１８８は、コンタクト／半導体界面４２の近傍で集中し増幅されるが、ＨＳＰほどではない。ＷＲ異常は回折モードの始まりであり、従って入射ビームのエネルギーが増加すると、コンタクト／半導体界面での制限が少なくなる。また、コンタクト及びコンタクト窓の両方の真下に電界強度の高い領域が存在する。
【０１５２】
図１４ｃに示す０．７３ｅＶのＣＭ１９０を参照すると、垂直キャビティモードは、ＨＳＰ及びＷＲよりも波長に対する依存が小さい。これらのモードでは、入射ビームの入射角への依存が弱い。構造的に、ＣＭはコンタクトピッチに対する小さな依存を示し、コンタクトの厚み５８、コンタクト窓幅、及び第１溝部４４及び第２溝部６２の誘電率に対しては中度から強度の依存を示す。ＣＭは第０位数の入射ビーム及び透過ビームとカップリングして高められた透過を作り出し、溝部領域４４に強い電界強度を有する。第０位数の入射ビーム及び透過ビームと関連するフィールドによって、ＣＭは図１４（ｃ）に類似のフィールドプロファイルを作り出すことができる。
【０１５３】
これら３つの種類のＥＲモードは、反射率、透過率、及びコンタクト／半導体近傍の光の濃度又は局所性に対して異なる効果を有する。図２に示す種類のラメラ格子において、ＷＲ及びＨＳＰは、通常、ペアで生じ、ＨＳＰのエネルギーは関連するＷＲモードよりもすこし小さい。ＷＲとＨＳＰはいずれも、誘電体／金属界面の近傍で光が集中するが、反射率及び透過率に対する効果が劇的に異なる。第０位数の入射ビーム、ＷＲ及び回折モードは、透過を促進するキャビティモードを介して金属コンタクト層の両面にカップリングされてよい。従って、ＷＲは反射率最小値と透過最大値につながることが多い。一方、ＨＳＰはその逆となり、反射率最大値と透過最小値を生じる。
【０１５４】
ＷＲとＨＳＰは、主として同じ構造的依存性を有しており、ＨＳＰは溝部内の金属及び誘電体材料に対してより感度が高い。ＨＳＰ及びＷＲの構造的依存性は、いずれも、ＣＭ構造的依存性とは大きく異なる。計算より、上に挙げたモードの構造的依存性の背後の明らかに物理学的な推論が裏づけられる。これは、ＨＳＰ／ＷＲペア及びＣＭにおけるエネルギーがかなり独立して生じ、ＣＭモードとＨＳＰ／ＷＲモードが整列して「ハイブリッド」モードを作り出すことを可能とするため、重要である。これらハイブリッドモードは、光電子工学での利用に有用であり、用途によっては、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭ、あるいはハイブリッドモードのいずれかが最も効果的となる。ＭＳＭ検出器については、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭのいずれも、それ自体では高速動作用としては理想的ではない。その理由は、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）において明らかである。ＨＳＰ及びＷＲは、いずれも、大きな電磁場分布をコンタクトの真下に作り出すが、そこでは印加されたバイアスにより生じる静電場が非常に小さい。また、ＨＳＰは、普通、光沢のある金属ワイヤ内での入射ビームの吸収作用が大きい。ＣＭモードは、第０位数の放射透過要素を作り出し、これによって半導体内部深くに大きな電磁場分布が生じるが、ここでもまた、印加されたバイアスにより生じる静電場は小さい。これら２つのモードはいずれも、望ましくない位置における光生成キャリアが、それぞれのコンタクトに向かってゆっくりと移動するキャリアを作り出し、これによりデバイスのスピードが制限される。
【０１５５】
用途に応じて光特性を合わせるために、この構造に導入可能な非対称性には、多くの種類がある。構造内に非対称性が導入されれば、即座に図２に示すように、真のピッチはもはや１つのワイヤの中間から次のワイヤの中間（あるいは先端から先端）までの距離ではなくなり、代わりに、その２倍の距離となる。
【０１５６】
異なる金属を、金属指状部に交互に使用することにより、電子と正孔のショットキ接触を個別に促進することができる。２つの異なる金属が、金、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）など、高い伝導率を有するものであれば、指状部の別の組については導電性が低い金属を用いることになるため、反射率と透過率の最大値と最小値を別にすれば、透過率は比較的同じとなる。アスペクト比が非常に高い透過型又は反射回折格子については、金属の選択がより一層の効果を生む。
【０１５７】
誘電体材料を溝部に配することにより、ＥＲモードにいくつかの効果が生じる。誘電体材料を各溝部に非対称に配する場合、格子のピッチが変わることはなく、従ってＨＳＰ及びＷＲのエネルギーもほとんど変わらない。しかしながら、ＣＭは、溝部の材料の誘電率が増えると、エネルギーが減少する。この現象は図１５において見られ、ここでＳｉバルク基板上の、ピッチ＝１．６μｍ、コンタクト幅ｗ＝０．５６μｍ、窓幅ｃ＝０．２４μｍ、コンタクト高さ（厚み）ｈ＝０．５μｍで、溝部が誘電率の一層高い誘電体で満たされたＡｕコンタクトを有する構造に対する法線入射光に対する反射率１９２が示される。図１５に、ε＝１の誘電率１９４からε＝２．２の誘電率１９６まで、０．２ずつ増加する、全ての溝部誘電体についての反射率１９２が示される。１つおきの溝部のεとして、ε＝１の２００からε＝４の２０２まで、０．５ずつ増加する反射率１９８が図１５の下半分に示される。この構造では、ε＝２．２の誘電率１９６を有する溝部について、ＨＳＰがエネルギーが０番目の透過モード２０４に分布することを制限していることが図１６に示されている。ＣＭモード及びＨＳＰ／ＷＲのペアが整列する、ＣＭモードとカップリングされることにより、反射率促進コンタクト／ＳｉＨＳＰとして、反射率１９６における鋭い最大値が効果的に励起される（図１６〜図１７参照）。図１７に、垂直表面プラズモン共鳴及び水平表面プラズモンの両方に関する通常の電磁場プロファイルを有する０．４５ｅＶのハイブリッドＨＳＰ／ＣＭモード２０８を示す。両方が励起されていることがはっきりと示されている。第０位数の透過ビームにはほとんど入射エネルギーがカップリングされていない。
【０１５８】
１つおきの溝部（交互の溝部）に誘電体材料を配し、構造の真のピッチ（構造の周期性）を当初の２倍に増やす場合、上述の場合に生じた現象と全く違う現象が生じる。ＨＳＰは構造の近傍により近接に制限され、構造の材料中の電磁場強度がより大きくなるため、ＷＲに比べて、ＨＳＰはより敏感に構造を変化させる。図１５の下半分において、交互の溝部誘電率が増加し、別の交互の溝部のセットの誘電率と異なると、即座に０．４５ｅＶのＨＳＰ２１０は実質的に弱められる。図１８を参照すると、一旦ＨＳＰが退くと、入射ビーム及びＳｉにおけるＷＲ／１番目の回折モードはＣＭを介してより強くカップリングすることができる。新たな「真」のピッチは第１及び第２溝部誘電体が同じであったときの２倍なので、０．４５ｅＶで鋭い最大値を有する新たな±１回折要素２１２が０．２２ｅＶから始まる。図１８の０．４５ｅＶの場合に示すように、入射ビームは、５０％が＋１Ｓｉ回折オーダーにカップリングして、５０％が−１回折オーダーにカップリングし、コンタクト／Ｓｉ界面に平行に進むビームとなる。０．４５ｅＶハイブリッドＣＭ／ＷＲモードについて、図１９ａに磁場強度プロファイル２１４を示し、図１９ｂにポインティングベクトル２１６の図を示す。この図はいずれも、入射ビームからのエネルギーが右手溝部６２を介して（ε＝３．８の誘電体材料で）ＷＲ／±１Ｓｉ回折オーダーへコンタクトの周囲を導かれることを示す。
【０１５９】
上述の本発明の方法と分析とを、高帯域、高応答性ＭＳＭ光検出器の設計に適用する際、ＨＳＰ、ＣＭ、及びハイブリッドモードの特性における、使用材料に対する依存性を考慮しなければならない。ＨＳＰ、ＣＭ、及びハイブリッドモードの明らかなエネルギー依存性の他にも、設計上考慮すべきことがある。例えば、直接的バンドギャップ材料は、通常、吸収係数が大きい（吸収長が小さい）。従って、コンタクト／半導体界面近傍の入射電磁場プロファイルを制限する方法は必要ないかもしれない。また、εの虚数部分が大きい材料又はエネルギーにおいて、ＨＳＰモードはより弱く十分に定義されない。この２点より、直接的バンドギャップ材料において、ＨＳＰ又はハイブリッドモードは、ＣＭに比べて使用においてあまり興味はもたれないであろう。しかしながら、Ｓｉ系ＭＳＭにおいては、Ｓｉが間接的バンドギャップ材料であり、８５０ｎｍ前後の重要な波長域における吸光係数が小さいか中程度であるため、状況は異なる。従って、本発明のＭＳＭデバイスは、高速動作用に、ＨＳＰ、ＷＲ、又はハイブリッドモードに最適化されることが好ましい。最も好ましくは、ＳｉＭＳＭ光検出器はＷＲ／ＣＭのハイブリッドモードをカップリングするように最適化される。
【０１６０】
図２の幾何形状を参照すると、この種のハイブリッドＥＲモード（ＷＲ／ＶＳＲ及びＳｉ内の回折要素）をカップリングするＭＳＭ検出器の一実施形態において、電極構造は、コンタクト周辺及びコンタクト間のコンタクト／Ｓｉ界面近傍に局在する入射光を導くことにより、高応答性・高帯域バルクＳｉＭＳＭ−ＰＤを得るように最適化される。本実施形態において、ＭＳＭ検出器の基板４０はシリコンを含む。第２溝部６２の第２誘電率は、好ましくは第１溝部４４の第１誘電率よりも大きい。最も好ましくは、第２誘電率は、約１．７５〜約４の範囲にある。
【０１６１】
一実施形態において、第２誘電体はシリコン酸化物を含むことが好ましい。
【０１６２】
好ましくは、第１厚み５８及び第２厚み６６のうち少なくとも１つは、少なくとも１００ｎｍである。
【０１６３】
別の施形態において、第１コンタクト厚み５８及び第２コンタクト厚み６６は、それぞれ、約１２５ｎｍである。
【０１６４】
この好適なシリコンＭＳＭ検出器において、電極の第１アレー３２及び第２アレー５０に関連する構造は、好ましくは、入射光波と、ＷＲ／ＣＭ及びＳｉに回折要素を有する局所的なイブリッドＥＲモードとを共鳴カップリングする。
【０１６５】
このデバイスの第１コンタクト幅５６及び第２コンタクト幅６４は、等しくてもよい。
【０１６６】
別の施形態において、第１コンタクト幅５６は第１窓４４の幅よりも大きく、第２コンタクト幅６４は第２窓６２の幅よりも大きい。これらのコンタクト幅は、それぞれ窓幅の少なくとも２倍であることが好ましい。また、第１及び第２窓幅は、等しくてもよい。
【０１６７】
シリコンＭＳＭデバイスは、応答性が少なくとも０．２５Ａ／Ｗで、帯域幅が少なくとも１５ＧＨｚであることが好ましい。
【０１６８】
ＳｉＭＳＭ検出器の動作波長域は、８００ｎｍ〜９００ｎｍを含むことができる。最も好ましくは、動作波長域は約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍである。
【０１６９】
図２０〜図２１は、それぞれ、本発明のシリコンＭＳＭ光検出器の、エネルギー密度プロファイル２１６及び誘発された光電流２１８のプロットであり、幅３００ｎｍ、厚み１２５ｎｍのＡｕの第１コンタクト３２及び溝部幅が１５０ｎｍの交互の（第１）溝部４４を有する第２コンタクト５０を有する、誘電率ε＝２を有する誘電体材料が挿入される、。図２０は、このＳｉＭＳＭ構造用の１．４６ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁密度を示す。ここに示すように、このハイブリッドモードは、窓４４及び６２の下のコンタクト／Ｓｉ界面近傍の電磁場（高濃度領域は図中最も明るく白っぽい部分である）に、主に集中している。これらのデバイスのモデリングで通常考えられるように、入射ビームによって生み出される、ゆっくりとした幾何学級数的に崩壊していくエネルギー密度プロファイルの代わりに、エネルギーは主にＳｉ表面の近くに集中する。図２１は、ワイヤ内に誘発された電子電流と正孔電流が、一連の１０ｐｓの期間、５０％のデューティサイクル、８５０ｎｍの光の入射パルスを与えることを示す。５ｍＷのＴＭ偏光入力パルストレイン（グレーの部分）２２０、電子電流２２２、及び正孔電流２２４が示される。これらの結果から、このデバイスは、少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性を有しながら、少なくとも３０の帯域幅を有することができることが示唆される。
【０１７０】
幅及び厚みの非対称性は、特に特にＨＳＰ及びＷＲモードの数の増加につながる。ＣＭモードのエネルギーは、大きくは変化しないが、ＨＳＰ／ＷＲモードの数の増加は広いＣＭモードのエネルギー範囲に原因があるかも知れず、これらに影響を与える可能性がある。加えて、格子のピッチは空気／コンタクトのＨＳＰ／ＷＲ及びコンタクト／半導体のＨＳＰ／ＷＲの両方から２倍増加するため、格子の「有効」ピッチは空気中の電磁場の投影や半導体基板における電磁場の投影によって異なり得る。格子のピッチは、空気／コンタクトのＨＳＰ／ＷＲのみの投影から２倍増加する一方で、コンタクト／半導体のＨＳＰの投影からは同じであってもよい。
【０１７１】
つまり、本明細書に記載の拡張ＳＥＢＣ法を用いることにより、ＨＳＰ、ＷＲ、及びＣＭモードのエネルギーは、異なる構造及び材料パラメータを変更して、個別に変更することができる。加えて、ＨＳＰの効果は最小化され、ＷＲ及びＣＭモードは１つおきの溝部の誘電率を増加することにより整列さえることができる。また、ここで説明した非対称性のいずれか１つを構造に加えることにより、この構造の「実際」のピッチを２倍にするが、「有効」ピッチは導入する非対称性によって２倍にすることも、またしないこともできる。本発明は、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭ、及びハイブリッドモードのカップリングを最適化することにより、帯域幅が５０ＧＨｚを越え、応答性が０．３Ａ／Ｗを越える高速ＳｉＭＳＭ光検出器を提供する。
【０１７２】
以上、基板がバルク形状の半導体を含むと仮定して、本発明のＭＳＭデバイスについて検討と分析を加えた。しかしながら、この半導性基板はこれに限らない。
【０１７３】
図２２を参照すると、ＭＳＭデバイス２２５のさらなる実施形態において、基板はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造２２６を含む。ＳＯＩは３層誘電体構造２２６であり、シリコン２２８の最上層とシリコン２３２の最下層層との間に配された絶縁体層２３０を備える。
【０１７４】
シリコン系金属−半導体−金属光検出器（ＭＳＭ−ＰＤ）及び関連するＳｉ系光検出構造は、光学的及び電気的要素を同一チップ上で統合することができるため、大変興味深いものである。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ等の他のいくつかの材料を用いて製造されたＭＳＭ光検出器と比べると、ＳｉＭＳＭ−ＰＤの性能は劣る。これは、主として、Ｓｉが間接的バンドギャップ材料であり、吸収長が長いことによる。これにより、Ｓｉの内部深くに生成される電子と正孔のペアがコンタクトに移動するまでに長時間かかり、コンタクトで誘発される光電流がごく小さいものとなる。ＳｉＭＳＭの帯域幅及び応答性を促進するための多くの方法があるが、一方を高めようとすると他方が悪化する傾向があった。シリコン領域に埋め込み層を導入することにより、バルクシリコン半導体の内部深くに生成されたキャリアを検出器の活性領域から分離することができ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）のコンタクト／シリコン／酸化物層を用いてＳｉの上面に光が集中する共鳴キャビティを作り出すことができることが報告されている。いずれもデバイスの性能を高めると考えられる。別の方法では、ＳＯＩ層の上面に金属の島を用いて、活性シリコン領域に更なる光をカップリングする。しかし、正確な、時間依存及び相互依存した形でのデバイスの光学的及び電気的特性の完全な分析（すなわち入射ビーム、静的な場、及び電荷担体の運動と、これら相互に対する影響を同時に分析すること）は、いまだ行われていない。電磁場、電荷担体の生成率、及び誘発される電流に関するこれら過去の研究における仮定は、Ｓｉ系ＭＳＭデバイスにおけるＥＲモードの可能性を促進する能力の過小評価を導く。
【０１７５】
図２２を参照し、以下の本発明にかかるＳＯＩ半導体２２６を有するＭＳＭの例を、ＳＯＩ上に製造されたＭＳＭにおける水平表面プラズモン（ＨＳＰ）、垂直表面共鳴（ＶＳＲ）とも呼ばれる表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、ここではキャビティ共鳴（ＣＲ）とも呼ばれるファブリーペロー共鳴（ＦＰＲ）、及び回折モード（ＤＭ）を含む、各種の電磁共鳴との関連で説明する。これらのモードの組み合わせは、本発明のＳＯＩのＭＳＭ光検出器の帯域幅と応答性を促進する。この計算を行うことにより、時間依存及び相互依存した形の３つのアルゴリズムが用いられる。（１）入射ビームにより生じる電磁場プロファイルを計算する拡張表面インピーダンス境界条件（拡張ＳＩＢＣ）、（２）印加されたバイアスと電荷担体により生成される擬似静的フィールドを求めるポアソン方程式解法、（３）電荷担体の動き、光電流、再結合、帯域幅、及び応答性を計算するモンテカルロアルゴリズム、である。ＥＲモードの組み合わせ、すなわち、ハイブリッドＥＲモードは、デバイスの性能を高めるために２つのことを実現するように最適化されることが好ましい。空気／コンタクト界面及びコンタクト／半導体界面上でのＣＭを介したＷＲ及び回折モードのカップリングによって、金属コンタクトの周囲に光を導くことと、Ｓｉのコンタクト／Ｓｉ界面及びコンタクトの間に光を限定する又は集中させることである。ＷＲ及び回折モードのカップリングにより光を導くことにより、応答性が高まる。光をＳｉに限定することは、既に既に述べたとおり、帯域幅を向上させる。
【０１７６】
ＳＯＩにおいて、これら２つの様態は、ＳＯＩのコンタクト／Ｓｉ／絶縁体共鳴キャビティと関連したＦＰＲを用いることにより、１ステップ進むことになる。Ｓｉ層２２８の共鳴キャビティは、例えば、コンタクト３２により一方に結合され、絶縁体２３０によって他方に結合される。ＦＰＲをハイブリッドＥＲモードと統合することにより、新たなハイブリッドモードが形成され、入射ビームの極めて大きな範囲の限定が可能となる。
【０１７７】
デバイス２２５の多くの様態は、各種のＥＲモードを利用し、ＭＳＭ検出器について半導体内に最適な電磁場強度プロファイルを作りだすために、変更することができる。空気領域Ｉ６９、領域ＩＶを形成する第１半導体層２２８、第２半導体層２３２、領域ＶＩ、及び絶縁領域Ｖ２３０内のフィールドは、好ましくは、フロケの定理による擬似フーリエ拡張で表わされる。溝部領域ＩＩ４４及びＩＩＩ６２のフィールドは、好ましくは、直交モードの一次結合として表わされ、既に述べたように、またＬｏｃｈｂｉｈｌｅｒ他「共鳴領域における高伝導針金格子」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、３２（１０）、３４５９〜３４６５ページ（１９９３）で記載されるとおり、拡張ＳＩＢＣ法を用いて計算される。ここで示される結果は全て、ＴＭ偏光（ＳＰはＴＭ偏光についてのみ起こる）と法線入射についてのものである。
【０１７８】
図２３を参照すると、コンタクト／Ｓｉ／絶縁体層によって生じるＦＰＲモードを含む、ＳＯＩ半導体の構造内で生じる各種の異なるＥＲモード及び回折モードがある。この共鳴効果は、ＳＰへのつながりを全く持たない単純なファブリーペロー効果である。一番上のＳｉ薄膜２２８の厚みは、このＦＰＲモードのエネルギーがバルクＳｉＭＳＭ−ＰＤで用いられるハイブリッドＷＲ／ＶＳＲモードのエネルギーと一致するように調整されることが好ましい。これによって、電磁エネルギー密度２３４のプロファイルでみるように、コンタクト／Ｓｉ界面近傍の光の局所性が著しく高められる。
【０１７９】
図２４に、一連の反射率曲線を示す。図２４の一番上のグラフは、上記のバルクＳｉＭＳＭ−ＰＤについての反射率２３６を示すが、バルクＳｉの代わりに、３５０ｎｍの一番上のＳｉ層２２８とこれに続く厚みが５０ｎｍのシリコン酸化物絶縁体２３０を有している。デバイス２２５は、ピッチｄ＝２ｘ３＝９００ｎｍ、幅ｗ＝３００ｎｍ、及び厚みｈ１＝１２５ｎｍの同一のＡｕコンタクトと、幅ｃ＝１５０ｎｍ及び誘電率ε２＝２の交互の溝部の組と、幅ｃ＝１５０ｎｍ及び誘電率ε３＝１の交互の溝部の別の組とを有する。
【０１８０】
本発明のＳｉＭＳＭ光検出器の一実施形態において、基板は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を備える。ＳＯＩは、Ｓｉの最上層２２８及び絶縁体層２３０を有する。好ましくは、最上層２２８は約３００ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲にある。絶縁体層は、約２５ｎｍと約７５ｎｍの間にあることが好ましい。
【０１８１】
上述の、バルクＳｉＭＳＭ−ＰＤについてのＥＲ共鳴モードは、ＷＲ、Ｓｉの回折要素、及びＶＳＲからなるハイブリッドＥＲモードを利用して、コンタクトの周囲に導かれ、このコンタクト間のコンタクト／Ｓｉ界面の近傍に局在する、望ましい電磁場強度プロファイルを作り出す。
【０１８２】
図２４を参照すると、ＳＯＩ構造２２６を備えるデバイスについての反射率曲線２３６は、ＳＯＩ半導体の共鳴効果の結果としての特徴をさらに有する。共鳴に対して建設的及び破壊的なＳＯＩの界面効果に関し、周期的な最大値と最小値がある。これらの効果は、バルクＳｉＭＳＭの反射率が低いとき（すなわち、より多くの光量が構造に入ってＳＯＩ共鳴効果が起こるとき）に、最も明らかとなる。
【０１８３】
図２４に、比較のため、さらに２つの反射率曲線を示す。それぞれＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤと同じ寸法、すなわちＳｉ最上層２２８（３５０ｎｍ）及び酸化物層２３０（５０ｎｍ）のＳＯＩ半導体である。一方の反射率曲線２３８は、厚みが３０ｎｍの連続した（すなわち、パターンのない）Ａｕ膜を有する構造を備え、もう一方の反射率曲線２４０は、金属膜がない場合を比較のために示した。これら２つの比較用曲線は、Ｓｉ薄膜の一方と結合しているのが空気か金属によって、反射率の最大値／最小値の場所（エネルギーに関して）に大きなばらつきがあること示すために用意した。デバイス全体（パターンを持つコンタクト及びＳＯＩ）を含むＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤの光学的特性の正確な計算は、好ましくは本発明の拡張ＳＩＢＣ方法を用いて行われる。
【０１８４】
図２３を参照し、１．４６ｅＶでのエネルギー密度プロファイル２３４を示す。光の局所性は、静的場が最大になるコンタクト窓４４及び６２の下で最も大きくなる。一方。バルクＳｉ２３２の底部のフィールドは、事実上ゼロとなる。これにより、電子と正孔のペアが基板の内部深くに生じることを防ぐことができるため、帯域幅及び応答性を向上させることができるため、望ましい。ＥＲモードのチャネリング効果、特に、ＣＭモードは、入射光が金属コンタクトの周囲を活性Ｓｉ領域２２８へと導かれることを示す。その後、Ｓｉ最上層２２８への光の限定を支援するためにＣＲ（ＦＰＲ）が用いられる。
【０１８５】
トップのＳｉ薄膜２２８ならびにコンタクト３２及び５０の間に光が限定されるため、デバイス２２５の帯域幅及び応答性は、従来のＭＳＭ検出器よりも高くなる。特に、本発明のＭＳＭデバイスでは速度がＳｉ内での電荷担体の動作ではなく、金属指状部のキャパシタンス及び抵抗ならびに負荷により制限される。
【０１８６】
印加されたバイアスと光パルスの強度と期間の関数としての、印加されるバイアスによりコンタクト内に誘発される光電流の分析に必要な、時間に依存する相互依存的なアルゴリズムを計算することができる。一旦入射ビームにより生じる電磁場強度プロファイルが上述のように計算されると、ポインティングベクトルの分岐が計算される。ポインティングベクトルの分岐に比例する電子と正孔の生成率も計算することができる。ポアソン方程式解法及びモンテカルロアルゴリズムは、その後、好ましくは、擬似静的フィールド、誘発された光電流（Ｒａｍｏの定理を用いて）、帯域幅及び応答性を計算に用いられる。
【０１８７】
図２５において、一連の５ｍＷ、１０ｐｓ、５０％のデューティサイクルパルスで、８５０ｎｍのＴＭ偏光された光により励起されたと仮定したときの、図２２〜図２３に示す５０μｍ×５０μｍのＭＳＭ光検出器２２５の時間領域応答を示す。誘発された電子電流２４２及び誘発された正孔電流２４４の双方が示されている。このデバイスのこの速度での応答性は、少なくとも０．３Ａ／Ｗであり、また、０．４Ａ／Ｗ以上であってもよい。２つの電流要素の立ち上がり時間と立ち下がり時間は大変短く（５ｐｓ）、これらのデバイスが、少なくとも約０．３Ａ／Ｗの高応答性を維持しつつ、５０ＧＨｚを越える、あるいは８０ＧＨｚもの帯域幅を実現することができるかもしれないことを示している。
【０１８８】
本発明のＳｉＭＳＭ検出器の一実施形態において、８３０ｎｍ〜８５０ｎｍの動作波長域で、応答性は少なくとも０．２５Ａ／Ｗであり、帯域幅は少なくとも３０ＧＨｚである。
【０１８９】
従って、本発明のＭＳＭデバイスの性能は、例えばＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤ等の、着目する動作デバイスパラメータを正確に計算する時間依存及び相互依存したアルゴリズムから求められる。本発明のＭＳＭデバイスは、デバイス性能を向上させるＥＲモードの組み合わせを用いて最適化される。一実施形態において、このＭＳＭデバイスは、より望ましいデバイス動作特徴のためにより大きい波長入射角範囲を生じる電極構造を備える。最適化の方法は、熱効果、空間正孔バーニング、及びデバイス浸透、ならびに集積回路（ＩＣ）に対応するその他の様態、例えば負荷、の分析を含む。
【０１９０】
ここに添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態を記載したが、本発明がこれらの正確な実施形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、当業者は、本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく、これに各種の変更や修正を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１９１】
【図１ａ】第１位数の水平表面プラズモン（ＨＳＰ）モードについての摸擬磁場強度が重畳された金属−半導体−金属（ＭＳＭ）検出器の部分断面図である。
【図１ｂ】第１位数の垂直表面プラズモン又はキャビティモード（ＣＭ）についての摸擬磁場強度が重ね合わされたＭＳＭ検出器の部分断面図である。
【図２】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の実施形態の部分断面図である。
【図３】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の実施形態の櫛型電極構造の上面図である。
【図４ａ】Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含むＭＳＭ構造の０．３６ｅＶでの第１位数のＨＳＰモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図４ｂ】本発明に従って形成されたＭＳＭ構造の実施形態の０．５ｅＶでの第１位数のＣＭに対する有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図４ｃ】Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含む本発明にかかるＭＳＭデバイスの実施形態の０．３７ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図５】本発明にかかるＳｉＭＳＭデバイスの１．６ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図６】本発明に従って形成されたアスペクト比の高いＭＳＭ検出器の別の実施形態の断面側面図である。
【図７】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器のさらに別の実施形態の断面側面図である。
【図８】一般的な従来技術のＭＳＭデバイスのキャパシタンスを示す図である。
【図９】従来技術のＭＳＭデバイスの分散曲線である。
【図１０】従来技術のＭＳＭデバイスの電磁場プロファイルを示す図である。
【図１１】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の分散曲線である。
【図１２】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の電磁場プロファイルを示す図である。
【図１３】本発明のＭＳＭ光検出器の反射率、第０位数の透過率、及び第１位数の回折効率を示す図である。
【図１４ａ】ＭＳＭ検出器のＨＳＰ（１．１１ｅＶ）の有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１４ｂ】ウッド・レーリー異常（１．１６ｅＶ）の有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１４ｃ】第０位数の透過要素の強度が高い０．７３ＣＭの有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１５】溝部に誘電体を配することによる効果を説明するＭＳＭデバイスの反射率曲線を示す図である。
【図１６】ＣＭモードにカップリングされることにより強く励起するＨＳＰを説明する、シリコン半導体内の反射率、透過率、ならびに第１位数及び第２位数の回折効率を示す図である。
【図１７】０．４５ｅＶのハイブリッドＨＳＰ／ＣＭモードの有効電磁場密度プロファイルである。
【図１８】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の反射率、第０位数の透過率、及び回折効率を示す図である。
【図１９ａ】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の０．４５ｅＶのハイブリッドＣＭ／ＷＲモードの有効電磁場密度プロファイルである。
【図１９ｂ】図１９ａのデバイスのポインティング・ベクトルを示す図である。
【図２０】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の１．４６ｅＶでのハイブリッドモードの有効電磁場密度プロファイルを示す図である。
【図２１】図２０のデバイスの電子電流と正孔電流を示す図である。
【図２２】好適な本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の部分断面図である。
【図２３】図２２の好適なＭＳＭ検出器の有効電磁場密度プロファイルである。
【図２４】図２０の好適なＭＳＭ検出器の反射率曲線を電極構造なしで得られた反射率曲線と比較して示す図である。
【図２５】図２２のデバイスの電子電流と正孔電流を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本願に組み込まれる２００４年３月２２日出願の米国仮出願第６０／５５５，１０９号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、高応答性の光電デバイスの分野に関し、特に、高帯域・高感度の金属−半導体−金属光検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来技術の金属−半導体−金属（ＭＳＭ）検出器においては、半導体のバンドギャップよりも十分に大きなエネルギーの光が構造に入射すると、入射光の一部が電極間の半導体に作用して、半導体内の電荷担体、すなわち電子と正孔を励起する。電子は、印加電圧と電界とにより、正に帯電した電極の方へ引き寄せられる。正孔は、反対の方向の負に帯電した電極の方へ引き寄せられる。これらの電荷担体が電極又はコンタクトへ引き寄せられると、当該コンタクト内に測定可能な電流を生じさせる。
【０００４】
ＭＳＭデバイスの速度は、通常、電荷が電極に引き寄せられるのに必要な時間により制限される。これらのＭＳＭデバイスのスピードを速める方法として、隣接する電極間の間隔を減少させるというものがある。間隔の減少により、キャリアの電極までの移動距離が短縮され、移動時間が減少する。移動時間の減少の結果、デバイスのスピードが速くなる。このようなスピードの向上は、他の種類の検出器と比較したＭＳＭデバイスの利点である。しかしながら、一定のコンタクト間隔を維持しつつ上記間隔を減らすことにより、デバイスの表面のかなりの割合が、入射光を反射する金属の反射電極によって覆われることになり、結果として感度が低くなる。従って、一般的なＭＳＭデバイスにおいては、速いスピードのために光感度が犠牲となっている。
【０００５】
ＭＳＭデバイスにおける多電極構造は、格子状構造を形成してもよい。過去において、間隔の狭い格子間を通る光の透過は、研究者の研究対象であった。特に特に、ラメラ格子及びその他の周期的な複合格子構造において劇的な光学的な挙動を示す表面プラズモン（ＳＰ）やその他の電磁共鳴（ＥＲ）が、観察及び分析されてきた。周期的構造における「異常な」透過及び電磁共鳴の現象についての研究は、Ｅｂｂｅｓｅｎ，Ｔ．Ｗ．他「サブ波長正孔アレーを通した異常光透過」ネイチャー、３９１、６６７〜６６９ページ（１９９８）において、Ｅｂｂｅｓｅｎ他が、正孔の２次元アレーは、膜の総面積に対する正孔の面積の占める割合よりも高い割合で、特定の波長と角度で入射する光を透過させることを報告した後、増加した。言い換えると、入射光は正孔により「導かれる」ように思われる。例えば、Ｌｏｃｈｂｉｈｌｅｒ，Ｈ．「ゴールドワイヤ格子における表面ポラリトン」フィジカルレビュー Ｂ，５０（７）：４７９５ページ（１９９４）において、異常な透過は、１Ｄ周期格子構造においても観察される。これらと他の研究は、いくつかの注目すべき例外を除いては、異常な透過の物理的メカニズムに主に関連するものであり、例えば表面プラズモンの光電デバイスに対する実用化を検討するものではなかった。
【０００６】
例えば、Ｅｂｂｅｓｅｎ他に対する米国特許第５，９７３，３１６号は、ＳＰモードにカップリングすることにより光透過を高める金属膜又は薄い金属プレートのサブ波長アパーチャーのアレーを開示し、ここで、アレーの周期が選択されて特定の波長域の透過が向上される。このアレーは、フォトリソグラフィーを利用する際の光のフィルタリングと収集とに用いることができる。
【０００７】
別の例として、Ｂｒｏｗｎに対する米国特許第５，６２５，７２９号は、入射光を局在表面プラズモン波に共鳴カップリングする光電デバイスを開示する。このデバイスは、半導体基板上の複数の略平面状の規則的な間隔で配された低いプロファイル（low-profile)電極を含み、これらの電極は格子を形成して、格子に沿って広がる表面プラズモンモード（水平ＳＰモード）と基板とを共鳴カップリングする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、Ｂｒｏｗｎ特許は、水平ＳＰの平面格子界面に対する周知のカップリング効果を、従来のＭＳＭ光検出器を構成する周期的金属格子に拡張するものである。Ｂｒｏｗｎ特許に記載のＭＳＭ光検出器は、電極格子を介した透過を向上させることができるが、このＭＳＭ光検出器に用いられる半導体材料又はその用途に関わらず、１種類のＳＰモード（水平）にカップリングするための、ＭＳＭ光検出器の１つの電極構造（平面状の目立たない格子構造）しか開示及び検討されていない。言い換えると、Ｂｒｏｗｎ特許のＭＳＭ光検出器は、ＳＰモードカップリング又はその他のＥＲモードカップリングの特定の検出器への応用に対する最も効率的な利用に最適化されていない。
【０００９】
ゆえに、特定の波長域の検出が特に必要とされる特定の用途における迅速な応答時間（高帯域）と高応答性の両方に最適化された、改良された金属−半導体−金属デバイスが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特定の用途と波長感度範囲に最適化された高帯域・高応答性の金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスに関する。
【００１１】
本発明の一実施形態は、外部光波の強さを検知する光学検波器に関する。この検出器は、外部光波と局所的な光波とを共鳴カップリングし、かつ隣接する電極間に電位差を可能にするよう構成された、略規則的なパターンで離間し、複数の金属電極を含む。検出器は、さらに、前記複数の電極に関する構造であって、その構造と複数の電極とが局所的な光波をサポートする構造と、その複数の電極に接続され、電気量を検知するセンサとを含む。
【００１２】
光学検波器は、さらに、複数の電極と重ね合わされた半導体基板を含み、隣接する電極間の間隔に対する複数の電極の高さは少なくとも１のアスペクト比である。加えて、外部光波にカップリングされた前記局所的な光波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波を有する。
【００１３】
光学検波器の半導体基板は、好ましくは、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、又はシリコンを含む。
【００１４】
別の実施形態において、光学検波器の基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。
【００１５】
隣接する電極間の間隔は、好ましくは少なくとも約２０ナノメータである。
【００１６】
一実施形態において、アスペクト比は少なくとも３である。
【００１７】
別の実施形態において、アスペクト比は４より大きく１６より小さい。
【００１８】
さらに別の実施形態において、アスペクト比は１０より大きく１５より小さい。
【００１９】
光学検波器は、検出器表面の面上で９０°回転した略規則的なパターンで離間した第２複数の電極を含んでもよい。第２複数の電極は、複数の電極及び基板と重ね合わされた。第２複数の電極は、外部光波と表面プラズモン波とを共鳴カップリングするよう構成され、表面プラズモン波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する。
【００２０】
別の実施形態において、光学検波器は、隣接する電極間の間隔を略充填する半導体層を含んでもよい。
【００２１】
また別の実施形態において、光学検波器の複数の電極の高さは少なくとも約５０ナノメータである。
【００２２】
さらに別の実施形態において、複数の電極の高さは約５０ナノメータ〜約１５００ナノメータの範囲にある。
【００２３】
異なる実施形態において、複数の電極の高さは約１００ナノメータ〜約７５０ナノメータの範囲にある。
【００２４】
本発明はまた、波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイスに関し、この光デバイスは、第１電極の第１アレーと、第２電極の第２アレーと、基板と、第１電極及び第２電極に接続され電気量を検知するセンサとを含む。第２アレーは、第１アレーに対して直線的に移動されて第２電極が第１電極と互いにかみ合うようになる。デバイスは、また、第１アレー及び第２アレーと関連し、入射光波と局所的な電磁共鳴とを共鳴カップリングする構造を含む。局所的な電磁共鳴は、少なくとも局在表面プラズモン波のキャビティモードを含む。第１アレー及び第２アレーは、基板と重ね合わされた。加えて、第１アレーは、第１幅を有する第１コンタクト窓と、第１誘電率を有する第１コンタクト窓誘電体と、第１コンタクト厚みと、第１コンタクト幅とを含み、第２アレーは、第２幅を有する第２コンタクト窓と、第２誘電率を有する第２コンタクト窓誘電体と、第２コンタクト厚みと、第２コンタクト幅とを含む。デバイスは、また、電極構造のピッチも含む。
【００２５】
光デバイスの基板は、好ましくは、ＩＶ元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ元素半導体、及びＩＩ−ＶＩ元素半導体のいずれか１つを含む。
【００２６】
一実施形態において、半導体は水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか１つを含む。
【００２７】
第１電極及び第２電極のうち少なくとも１つは金を含んでもよい。
【００２８】
光デバイスの一実施形態において、基板は水銀カドミウムテルルを含み、第１電極及び第２電極はアルミニウムを含み、第１誘電率は第２誘電率よりも大きい。加えて、第１誘電率は、１．７５〜４．０の範囲にあることが好ましい。
【００２９】
水銀カドミウムテルル光デバイスの構造は、好ましくはハイブリッドモードと共鳴カップリングする。ハイブリッドモードは、少なくともキャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含む。デバイスは、少なくとも約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータの波長域で動作する。
【００３０】
水銀カドミウムテルル光デバイスの別の実施形態において、構造は、ハイブリッドモードと、少なくとも約４．０マイクロメータ〜約１５．０マイクロメータの波長域で共鳴カップリングする。加えて、第１及び第２幅はそれぞれ、０．５マイクロメータ〜０．９マイクロメータの範囲にある。第１コンタクト厚みと第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．４５マイクロメータ〜０．８５マイクロメータの範囲にある。第１コンタクト幅と第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２マイクロメータ〜０．５マイクロメータの範囲にある。
【００３１】
基板がシリコンを含む光デバイスの実施形態は、少なくともキャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングする基板を備える。波長域は、約８３０ナノメータ〜少なくとも約８５０ナノメータの範囲を含む。加えて、第１コンタクト幅と第２コンタクト幅は、それぞれ、第１幅と第２幅よりも大きい。
【００３２】
好ましくは、シリコン半導体を有する光デバイスの第１誘電率は、第２誘電率よりも大きく、１．７５〜４．０の範囲にある。加えて、第１コンタクト厚み及び第２コンタクト厚みのうち少なくとも１つは、好ましくは少なくとも１００ナノメータである。
【００３３】
加えて、第１幅と第２幅はそれぞれ、０．０７５マイクロメータ〜０．２５マイクロメータの範囲にあってもよい。
【００３４】
また、第１コンタクト厚み及び第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．０７５〜０．２マイクロメータの範囲にあってもよい。
【００３５】
光デバイスの別の実施形態において、基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。好ましくは、この光デバイスは、３０ＧＨｚより大きい帯域幅と少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性とを有する。
【００３６】
シリコン・オン・インシュレータ構造を含む光デバイスの第２誘電体は、シリコン酸化物を含んでもよい。加えて、第１コンタクト幅は、好ましくは第１幅の少なくとも２倍であり、第１厚み及び第２厚みはそれぞれ、少なくとも１００ｎｍである。
【００３７】
シリコン・オン・インシュレータ構造は、シリコン最上層と絶縁体層とを備える。好ましくは、シリコン最上層の厚みは３００ナノメータ〜４００ｎｍの範囲にあり、絶縁体層の厚みは約２５ナノメータ〜約７５ナノメータの範囲にある。
【００３８】
結果として、本発明は、特定の動作波長域に最適化された高帯域・高応答性の金属−半導体−金属デバイスを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明に従って形成されるデバイスは、応答時間が速く且つ高感度の光電デバイスを提供する。このデバイスの構造は、用途に応じ、特に最適の性能に調整される。異なる用途においては、特に、特定の波長域における所定の検出感度が要求される。この要求により、好適な半導体材料は、着目する波長域においてより高い応答性を示すものに制限される。しかしながら、同じ半導体を用いる従来のデバイスでは、必ずしも最適な応答時間をも示すわけではなく、光電デバイスの設計者は、スピードをより速くするために応答性を犠牲にしなければならないことも多い。
【００４０】
本発明において、デバイスは、特定の基板により電極の構造を調整してデバイスの応答時間及び入射光の吸収の双方を向上させることにより、高速な応答時間も備えつつ、好適な波長域における高応答性を提供する。好ましくは、この基板は半導体を含み、デバイスは金属−半導体−金属（ＭＳＭ）デバイスであるという特徴を有する。電極構造及び材料特性は、ローカル電磁共鳴（ＥＲ）を介して入射光波と透過波要素を共鳴カップリングするように最適化される。ローカルＥＲモードは、好ましくは表面プラズモン（ＳＰ）波を含み、運動量の要素のうちの少なくともデバイスの表面に略垂直な要素を有している。ここで、このＳＰ波の垂直な要素を、垂直ＳＰモード若しくはキャビティモード（ＣＭ）と呼ぶ。電極の構造と材料を変更することにより、入射光信号又は波により半導体に含まれる電磁場プロファイルは高度に制御可能となる。これに対して、低度のプロファイルの電極構造を含む従来技術のデバイスは、水平ＳＰ（ＨＳＰ）モードのみカップリングするよう構成されている。
【００４１】
ＥＲモードは、例えば、回折モード（ＤＭ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、ＨＳＰ、及びＣＭを含んでもよい。
【００４２】
ＨＳＰは、空気／コンタクト及びコンタクト／半導体界面に対して平行な運動量（図１の
方向）を有する表面プラズモンモードである。ＨＳＰは誘電体／コンタクト界面の近傍に局在しており、高いフィールド強度と金属ワイヤにおける高い吸収性とを有し、通常は反射率（透過率）における最大値（最小値）を実現する。ＷＲは、伝播回折モードの兆候であり、これも空気／コンタクト又はコンタクト／半導体界面近傍に局在するが、ＨＳＰほどではない。ＷＲはＨＳＰのように高いフィールド強度を有せず、ワイヤにおいては低い吸収作用を有する。入射波長が減少（エネルギーが増加）すると、ＷＲは、まずＳｉと空気中の低い波長（高エネルギー）において、出力が第０番目の入射及び反射モードから回折モードへ次第に転換される点を示す。ＣＭは、溝部の幾何形状により生じる強制されたファブリーペロー共鳴条件を有する、溝部の壁面に対して垂直方向を向いた表面プラズモンである。ＣＭは、溝部内で高いフィールド強度を有する。透過現象の向上は、空気及び半導体におけるＣＭを介した伝播モードとＷＲの間のカップリングにより生じると考えられる。
【００４３】
一般に、あらゆる光波と同じく、ローカルＥＲ波は、方向性をもって直交モードに分解することができる。複合波は、その後、なんらかの一次結合のＥＲモードの重ね合わせとして説明される。ここで、複合波モードをハイブリッドモードと呼ぶ。従って、ハイブリッドモードは、例えばＤＭ、ＷＲモード、ＨＳＰ、及びＣＭなど、ＥＲモードのいずれの組み合わせを含んでもよい。ＭＳＭ及びその他の格子状構造におけるＳＰモードの２つの基本的種類、すなわちＨＳＰとＣＭは、それぞれ図１ａ及び図１ｂに示す例により説明される。この図は、ＭＳＭシリコン系デバイスのシミュレーション・モデルの一部を図示する。いずれの例においても、ここでコンタクト１０とも呼ばれる電極１０は、ピッチ１２が１μｍ、ワイヤ幅が０．７μｍ、コンタクト窓幅１４が０．３μｍ、厚さが０．５μｍのアルミニウム（Ａｌ）ワイヤである。ここで、コンタクト窓１４は、「溝部」とも呼ばれる。基板１６はシリコンを含む。
【００４４】
ここで、ピッチ１２は、第１アレーの電極の端部からその第１電極アレーの次の電極の端部までの距離を言う。従って、このピッチは、第１アレーの電極の幅とその第１アレーの隣接する電極間の間隔との合計に等しい。図１ａにおいて、デバイスには１つのアレーしか有しておらず、隣接する電極間の間隔はコンタクト窓幅１４である。従って、このピッチは、コンタクト窓幅１４と電極幅との合計である。
【００４５】
デバイスのスピードに対する２つの種類のＳＰモードの効果を示すために、図１ａ及び図１ｂに示す電磁場分布となるシミュレーションを行った。図１ａに示す第１位数のＨＳＰモードカップリングの分布は、０．３７ｅＶの入射光についてのシミュレーションで、これは約３．３５μｍの波長に対応する。図１ｂに示す磁場強度は、０．５５ｅＶでの第１位数のＣＭカップリングについてのシミュレーションで、これは約２．２５μｍの波長に対応する。いずれもエネルギーはＳｉのバンドギャップより小さく、従ってシリコンに対して使用可能な波長域外にある。しかしながら、このようなＳｉ系ＭＳＭデバイスにおけるＣＭ及びＨＳＰモードの表れは、バンドギャップ内のエネルギーがより高いところでも存在しうる。
【００４６】
ＨＳＰモードカップリングについて図１ａを参照すると、フィールドは、印加されたバイアスにより生じる静電場が小さい、コンタクトの真下にある強い電磁場強度２０により、コンタクト１０／半導体１６の界面１８に閉じ込められている。従って、これらの場所における光生成キャリアがそれぞれのコンタクトにたどり着くには長い時間がかかり、結果として応答時間が増加する。
【００４７】
ＣＭカップリングについて図１ｂを参照すると、磁場強度は、溝部１４内に、入射波を照射光学モード２２にカップリングする大きな電磁場強度を有しており、シリコン（Ｓｉ）（入射光波長８５０ｎｍでα＝３．８２×１０２／ｃｍ）等の吸収定数が小さい材料については、構造の内部深くに大きな場を生じさせる。従って、純粋なＣＭカップリングでは、それぞれのコンタクトへドリフトするまで時間がかかる場所に光生成キャリアが生じる結果となる。従って、対称とする波長域内でカップリングする１つのモードにのみ対応する構造は、高性能のＳｉ系のＭＳＭデバイス用の理想的な構成とすることができない。
【００４８】
図２を参照すると、本発明のＭＳＭデバイス３０の実施形態は、少なくとも１つの電極アレー、すなわち、少なくとも電極３２の第１アレーを含む。電極３２は略規則的なパターンで離間している。電極３２は、検出される外部光波３４と、ＣＭ、ＨＳＰ、ＷＲ、回折モード、又はこれらのいずれの組み合わせ（ハイブリッドモード）等のローカルＥＲ３６とを共鳴カップリングするよう構成されている。ＥＲ３６は、好ましくは、デバイス３０の検出器表面３８に対して略垂直な運動量の要素を有するＳＰを少なくとも含んでいる、すなわち、波３６は表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）を含む。デバイス３０は、さらに前記電極３２の少なくとも１つのアレーと重ね合わされた基板４０を含む。基板４０は、半導体材料を含むことが好ましい。
【００４９】
加えて、構造は電極３２の少なくとも１つのアレーと関連しており、この構造は、少なくとも表面プラズモン波のＣＭ要素を含むＥＲ又はハイブリッドモードに対応している。電気量を検出するために、センサ（図示せず）が、動作可能に電極３２に接続されていることが好ましい。
【００５０】
デバイス３０の検出器表面３８は、好ましくは略平面状の表面であり、その一部が外部光波３４に直接さらされており、またその一部が電極３２と基板４０との間の界面４２を形成する。検出器表面３８は、基板４０の表面と一致する。また、１つ以上の透過型光学材料の層、例えば反射防止膜が基板４０上に配されて検出器表面３８を形成してもよい。
【００５１】
本発明のＭＳＭ検出器の基板４０は、好ましくは半導体を含む。
【００５２】
半導性基板４０は、シリコン（Ｓｉ）等のＩＶ元素半導体、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）等のＩＩＩ−Ｖ半導体、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等のＩＩＩ−Ｖ三元化合物半導体、及び水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）等のＩＩ−ＶＩ半導体のうちいずれの半導体を含んでもよいが、これに限らない。
【００５３】
本発明に従って形成される高速・高感度ＭＳＭデバイスは、例えば約５００ｎｍ〜約１６００ｎｍの可視スペクトルから近赤外線スペクトルの入射光の検出に対して特に有用である。
【００５４】
本発明の一実施形態において、ＭＳＭデバイス３０はシリコンを含む基板４０を備える。好ましくは、動作波長域は約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍである。
【００５５】
別の実施形態では、基板４０はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む。
【００５６】
別の実施形態では、本発明のシリコン系ＭＳＭデバイスは、宇宙ベースの用途に用いられるよう構成されてもよい。
【００５７】
本発明の別の実施形態では、基板４０はインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含む。好ましくは、デバイス４０の動作波長域は近赤外線を含み、例えば約１０００ｍ〜約１６００ｎｍである。最も好ましくは、この動作域は約１２００ｎｍ〜約１５５０ｎｍである。
【００５８】
別の実施形態では、本発明のＩｎＧａＡｓＭＳＭデバイスは高帯域通信システムで用いられるよう構成されてもよい。
【００５９】
最適化されたＭＳＭ検出器を設計する方法は、好適な感度の波長域及びその他特定の用途に関連する特性、例えば温度感度や吸湿性等に従い、特定の用途に対する半導体を選択することを含む。少なくとも一つの電極アレー３２の構造は、後述するように、用途及び好適な動作波長域による最適な電磁場プロファイルを作りだすように最適化される。
【００６０】
本発明の電極は金属を含む。更に電極は、隣接する電極間で電位差を有することを特徴とする。好ましくは、任意の２つの隣接する電極間の電位差は、一方の電極に正の電圧、隣接する電極に負の電圧を維持することにより実現される。
【００６１】
図２を参照すると、この電極はどのような形状でもよく、特定の用途におけるＥＲモードの最適なカップリングに好適な幾何学形状パターンに配置される。好適な構造は、好ましくは、特定の波長、入射角、及び偏光の入射光で、いくらかのＣＭカップリングを含むＥＲモードの発生を最適化する。光がこれらのパラメータを満たすとき、金属コンタクト３２の少なくとも１つのアレーを通過して半導性基板４０へと、この光の大部分が透過される。基板４０に導かれる光は、電子と正孔のペアを励起し、これらの電子と正孔のペアは、その後コンタクト３２によって集められ、好ましくは光電流を発生する。垂直方向の表面プラズモンＣＭを介した入射光及び透過波要素のカップリングにより、集められた光の量は、半導体材料の面積に直接、すなわち電極３２により覆われていないコンタクト窓４４それぞれを通過して入射した光の量よりも多くなる。
【００６２】
好ましくは、これらの電極は略長方形状をしており、検出器表面３８に対して略直角である。この電極は、また、基板４０において略直線的に垂直な端部により特徴付けられることが好ましい。
【００６３】
一実施形態において、例えば第１アレー３２にあるような電極と基板４０との間の端部は、略曲線状又は傾斜していることを特徴とする。製造時に発生する略傾斜した端部は、基板４０の表面プラズモン、ＷＲ、又は回折モードのカップリングに影響を与えることなく、モード３６の共鳴エネルギーをシフトすることができ、本発明に従って形成されるデバイスのパラメータの最適化する上で考慮しれなければならない。
【００６４】
図３に示すように、この電極は、櫛形金属電極４６であることが好ましい。櫛型電極は、半導体基板の表面に配されたときに、連続ショットキ接触を形成する指状部４８を有する。
【００６５】
図２及び図３の両方を参照すると、デバイス３０の電極構造は、従来のＭＳＭデバイスより複雑であってもよい。一実施形態において、少なくとも１つの電極アレーは、略規則的に離間した電極３２の第１アレーと、略規則的に離間した電極の第２アレー５０とを含む。図２には電極アレーは２つしか図示していないが、さらにアレーを組み込んだより複雑な構造も、本発明の範囲にある。図２に示すこれらの２つのアレーは交互に配置又は、互いにかみ合った状態になっており、図３に示すように、第１電極３２と第２電極５０とが交互に配列されたパターンを形成するように、櫛型電極４６を用いることが好ましい。例えば、第１アレー３２は、正の電位に維持される電極５２のトップアレーによって表わすことができ、第２アレー５０は、負の電位に維持されるボトムアレー５４によって表わすことができる。第１アレー３２と第２アレー５０の電極は、外部光波３４と表面プラズモン波３６の少なくともＣＭ要素を共鳴カップリングするように構成されている。
【００６６】
これら２つのアレーは、互いに異なる１以上の特徴を有する。一般に、第１アレー３２は、第１誘電率を有すると共に第１コンタクト窓４４の第１幅、第１コンタクト幅５６、ここでは高さ５８とも呼ばれる厚み５８、及びピッチ６０と関連する第１金属を含む。同様に、第２アレー５０は、第２誘電率を有すると共に第２コンタクト窓６２の第２幅、第２コンタクト幅６４及び厚み６６と関連する第２金属を含む。電極構造の周期性を表わすピッチ６０は、図示するように、第２コンタクトを用いて定義することもできる。従って、隣接する電極は、異なる材料からなり、異なる幅と厚みを有することができる。
【００６７】
加えて、交互に存在するコンタクト窓領域は、異なる誘電体材料を有してもよい。デバイス３０は、第１アレー３２の１つの電極から第１アレー３２の隣の電極に延びる第２（より低いプロファイルの）アレー５０の電極の高さの上方にあるコンタクト窓領域７０に関連する誘電率ε２を有する、好ましくは膜である誘電体材料を含んでもよい。デバイス３０は、好ましくは、第１アレー３２の電極の後端から第２アレー５０の電極の隣接する先端（低いプロファイルの（第２）アレー５０の電極の高さの下方）に延びる第１コンタクト窓４４に関連する誘電率ε３を有する、第１誘電体材料、又は第１コンタクト（溝部）誘電体を含む。デバイスは、さらに、第２アレー５０の電極の後端から第１アレー３２の電極の隣接する先端に延びる第２コンタクト窓６２と関連する第２誘電率ε４を有する第２誘電体材料を含むことが好ましい。この誘電率のうち、コンタクト窓領域に関連する１つ以上の誘電率が異なっていてもよい。
【００６８】
コンタクト窓領域７０は、ε＝１の空気であってもよい。同様に、一実施形態の２つの誘電体上方の領域６９が、空気であってもよい。
【００６９】
本発明にかかる方法において、ＭＳＭデバイス３０は、このような大幅な構造的可変性を利用して最適化され、最適なＥＲモードカップリングを作り出し、構造を正しく設計することにより特定の電気光学特性を実現する。
【００７０】
この方法は、表面インピーダンス境界条件（ＳＩＢＣ）方法の拡張バージョンの利用を含んでもよい。ＳＩＢＣ方法は、当業者にとって周知である。改良された拡張ＳＩＢＣアルゴリズムにより、図２に示す複雑な構造の数値モデリングが可能となる。従って、構造的特徴又は非対称性は、デバイス３０のモデリングにおいて、変更、分析、最適化が可能である。それは異なる金属からなる金属ワイヤを交互に配する、異なる誘電率の材料を交互に溝部に配する、幅の異なる金属ワイヤを交互に配する、厚みの異なる金属ワイヤを交互に配する、又はオフセットした金属ワイヤを交互に配する、すなわちコンタクト窓４４の幅とコンタクト窓６２の幅とが等しくない（図２において、（ｘ２−ｘ１）≠（−ｘ５＋ｘ４））ということである。
【００７１】
調査によって、これらの非対称性はそれぞれ、ＥＲモードに対して、高性能光検出器の設計に有用な異なる効果を生み出すことがわかった。
【００７２】
上記５つの非対称構造を調整することにより、特定の用途のための、ＥＲ強化ＭＳＭ光検出器に最適な電磁場を得ることができる。例えば、高帯域・高感度用途に特に重要な２種類の検出器であるＳｉ系ＩｎＧａＡｓＭＳＭ検出器に、異なる最適な構造を適用する。ＨＳＰ及びＣＭ表面プラズモンモードの「ハイブリッド」化を説明するために、例えば、ＨＳＰモード、ＣＭモード、及びＨＳＰ及びＣＭモードをＨｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅで組み合わせたハイブリッドＳＰモードの比較を、図４ａ，図４ｂ，図４ｃのそれぞれに示す。
【００７３】
図４ａにおいて、Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅの基板のＭＳＭデバイスについて、０．３６ｅＶで第１位数のＨＳＰモード７６の有効電磁エネルギー密度の図を、ＨＳＰ及びＣＭモードを調整する修正を行わない状態で示す。図４ｂは、同じ構造について、０．５ｅＶで第１位数のＣＭモード７８の有効電磁エネルギー密度を示す図である。最も輝度の高い領域（白い部分）は、エネルギー密度が最も高いことを示す。
【００７４】
図４ｃは、本発明に従って形成されたＨｇ．２７６Ｃｄ．３２４ＴｅのＭＳＭ構造について、０．３７ｅＶにおけるＳＰ８０のハイブリッドモードの有効電磁エネルギー密度を示す図である。第１アレー３２及び第２アレー５０双方の電極は、Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含む。第１及び第２アレー双方のコンタクト幅（ｗ）、コンタクト窓幅（ｃ）、及び厚み又は高さ（ｈ）は、それぞれ、ｗ＝０．１μｍ、ｃ＝０．３μｍ、ｈ＝０．６５μｍである。第１アレー３２及び第２アレー５０双方のコンタクトはアルミニウム（Ａｌ）を含む。第１コンタクト窓４４の溝部誘電率は３．２５であり、第２コンタクト領域６２は１．０である。
【００７５】
本発明の光デバイスの一実施形態において、基板は水銀カドミウムテルルを含む。第１及び第２電極は、それぞれ、金属、好ましくはアルミニウムを含む。加えて、第１誘電率は約１．７５〜約４．０の範囲にあり、第２誘電率よりも大きいことが好ましい。
【００７６】
一実施形態において、第１誘電体はシリコン酸化物を含む。
【００７７】
別の施形態において、第２誘電体は空気である。
【００７８】
本発明の水銀カドミウムテルルの基板を備え、第２誘電率よりも大きい約１．７５〜約４．０の範囲の第１誘電率を有する光デバイスは、又はハイブリッドＥＲモードと共鳴カップリングする構造を含むことが好ましい。このハイブリッドモードは、少なくともＳＰキャビティモードとＨＳＰモードを含むことが好ましい。
【００７９】
一実施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータを含む。
【００８０】
別の施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約４．０マイクロメータ〜約１５．０マイクロメータを含む。
【００８１】
別の施形態において、本発明の水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、約１５．０マイクロメータ〜約２５．０マイクロメータを含む。
【００８２】
別の施形態において、水銀カドミウムテルルデバイスの波長域は、２．０マイクロメータ〜４０．０マイクロメータの間の任意の範囲を含む。
【００８３】
水銀カドミウムテルルの基板を含む光デバイスは、約０．５マイクロメータ〜約０．９マイクロメータの第１及び第２窓幅を含んでもよい。第１及び第２コンタクト厚みは、それぞれ約０．４５〜約０．８５マイクロメータの範囲から選択されることが好ましい。加えて、第１コンタクト幅及び第２コンタクト幅は、それぞれ約０．２〜約０．５マイクロメータの範囲から選択されることが好ましい。
【００８４】
吸光係数の高い直接的バンドギャップ材料では、図４ｂに示すエネルギー密度分布により特徴付けられるデバイス７８にカップリングされたＣＭモード、又は図４ｃのエネルギー密度分布８０を示すハイブリッドＳＰモードのいずれかが、この直接的バンドギャップ材料における高性能ＭＳＭ検出器の製造に対する有用なモデルであることがわかる。この場合、電界強度は、静的な印加された電界が最大となる電極の間のコンタクト窓領域で最大であり且つ集中する。従って、高速レスポンスが実現される。これに対して、図４ａに示すＨＳＰモードカップリング７６については、コンタクト窓４４及び６２の内部及び下方のエネルギー密度は、コンタクトの上方の領域８２への入射ビームのエネルギー密度よりそれほど大きくはない。また、かなりの部分は、直接両方のコンタクト３２及び５０の下方の中央部分に位置している。この領域に局在する電荷担体は、望ましくない長い移動時間をかけてそれぞれの電極にたどり着く。
【００８５】
図５において、本発明に従って形成されるシリコンＭＳＭデバイスのハイブリッドモードを示す。Ｓｉは、８５０ｎｍで約３．８２×１０２／ｃｍという低い吸収係数（α）直接的バンドギャップ材料にある。ＳｉＭＳＭ構造は、厚み０．１２５μｍの金（Ａｕ）コンタクト８４を含む、１．０８μｍのピッチ８６、０．４３μｍのワイヤ幅、０．１１μｍのコンタクト窓８８の幅、及び約３．８の第１コンタクト窓領域８８の第１溝部誘電率の第１アレーを含む。コンタクト９０（１つのみ図示）の第２アレーは、第２コンタクト窓領域９２が約１．０に等しい第２溝部誘電率を有することを除いては同一のパラメータを有する。この構造は、ＣＭ及びＷＲからなるハイブリッドモードとＳｉの回折要素が１．６ｅＶで整列し、また少なくとも約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲で動作するＳｉ系ＭＳＭデバイスに望ましい電磁エネルギープロファイルを作り出すように設計される。図５は、１．６ｅＶでのハイブリッドモード９４の有効電磁エネルギー密度を示しており、ここで、エネルギー密度が最も高い領域は最も明るい境域（白）で示される。発生したハイブリッドモードは、主にコンタクト窓の下のコンタクト／Ｓｉ界面の近傍の電磁場９４に集中する。以上より、隣接する窓では、生成される光電流の量が実質的に異なる。
【００８６】
本発明のシリコンＭＳＭデバイスの実施形態において、基板はシリコンを含み、電極構造は、少なくともＣＭ及びＨＳＰモードを含むハイブリッドモードに共鳴カップリングされるよう最適化される。このデバイスの好適な動作波長域は、約８３０ナノメータから少なくとも８５０ナノメータを含む。加えて、各コンタクト幅は、それぞれの窓幅よりも大きい。
【００８７】
好ましくは、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあり、第２誘電率よりも大きい。
【００８８】
一実施形態において、第１窓幅及び第２窓幅はそれぞれ、０．０７５μｍ〜０．２５μｍの範囲から選択される。
【００８９】
別の施形態において、前記第１及び第２コンタクト厚みはそれぞれ、約０．０７５〜約０．２μｍの範囲から選択される。
【００９０】
別の施形態において、前記第１コンタクト幅及び第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２μｍ〜０．４μｍの範囲から選択される。
【００９１】
図５を参照すると、ＣＭモードの特徴を示す電磁エネルギープロファイルを形作るためには、ＣＭ／回折モードハイブリッドを作り出すＨＳＰモードとＷＲモードの間にわずかにずれがあることが、好適な波長域にわたって完全に一致するよりも望ましい。電磁エネルギー密度は、構造をかなり上回る入射ビームにより作りだされた電磁エネルギー密度に比べておよそ４０倍に増幅される。従って、このエネルギー密度が高い領域は窓領域内では小さいものの、この領域内で作り出された電子と正孔のペアが高濃度に存在し、吸収が大きくなり、Ｓｉの吸収長を「効果的に」減少させる。このコンタクト／Ｓｉ界面近傍の窓領域は、電荷担体が作り出されるには最も望ましい場所である。それは、印加されるバイアスによって作り出される静電場がこの領域において最大になり、担体をそれぞれのコンタクトに急速に引き寄せることができるからである。従って、図５のエネルギー密度プロファイル９４により説明されるデバイスは、高帯域動作が可能である。
【００９２】
特にＳｉ基板を用いる本発明のＭＳＭデバイスにおいては、吸収係数が低い（例えば好適な動作波長域において１０３／ｃｍより小さい）他の半導体材料を用いるＭＳＭデバイス同様、電界が、ＭＳＭデバイスのコンタクト窓領域の小さな領域内で増幅されて濃度が高くなるよう設計されることが最も好ましい。この領域内の静電磁場では、電子／正孔担体をそれぞれの電極に引き寄せる力が最も強い。従って、電磁場密度プロファイルを適切にパターニングすることにより、高帯域ＭＳＭ光検出器に用いられるＳｉの吸収長は効果的に短縮される。
【００９３】
図６を参照すると、本発明のＭＳＭデバイスの別の実施形態は、関連波長域内での吸収係数が高いことを特徴とする半導体を有することが好ましい。本発明の検出器１１０は、略規則正しいパターンで離間した複数の電極１１２を備える。電極１１２は、検出される外部光波１１４とローカル波、例えば表面プラズモン波１１５とを共鳴カップリングするように構成される。表面プラズモン波１１５は、検出器１１０の検出器表面１１６に略垂直方向の運動量要素を含む。すなわち、波１１５はＣＭを含む。センサ（図示せず）は、電気量を検知する電極１２に接続されている。
【００９４】
検出器表面１１６は、部分的に外部光波１１４に直接露出略平面状の面であることが好ましい。検出器表面１１６は、基板１２２の表面と一致する。また、検出器表面１１６を形成するように、１つ以上の透過型光学材料の層を基板１２２上に堆積させてもよい。
【００９５】
この実施形態において、複数の電極１１２に関連する構造は、優先的にＣＭ１１５をサポートする。この特定の構造及びＣＭモードカップリングは、一般に、電極１１２の周囲に光を導くことにより、効率的かつ高められた入射波１１４の透過を促進する。
【００９６】
光学検波器１１０は、さらに半導体材料を含む複数の電極１１２と重ね合わされた基板１２２を備える。
【００９７】
本実施形態の基板１２２は、上記いずれの半導体を含んでもよい。しかしながら、図６に示す特定の実施形態については、好適な基板１２２は、少なくとも１つの直接的バンドギャップ半導体を含む。この半導体は、望ましい検出波長域における吸収係数が高いことが好ましい。最も好ましくは、この吸収係数は約１０３ｃｍ−１より大きい。
【００９８】
近赤外域（例えば約１．０μｍ〜約１．６μｍ）の高帯域・高感度のデバイスに用いられるデバイス１１０の一実施形態において、基板１２２はＩｎＧａＡｓを含む。これらのデバイスは、特に高帯域通信システムに有用である。
【００９９】
近・中赤外域（例えば約１．０μｍ〜約２６μｍ）で用いられる高帯域・高感度のデバイスに用いられるデバイス１１０の別の実施形態において、基板は水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）を含む。用途としては、サーモグラフィ、ＣＯ２レーザー検出、及びミサイル誘導などが含まれる。化合物半導体は全てそうであるように、ピーク応答の波長は材料のバンドギャップエネルギーに依存する。このバンドギャップエネルギーは、合金組成を変えることにより（この場合、相当広い範囲で）容易に変化する。
【０１００】
図６に示す実施形態の検出器１１０は、略垂直な表面プラズモン又はキャビティモード１１５に対応するのに十分なアスペクト比により特徴付けられる。このアスペクト比は、電極１１２の高さ１１８の、隣接する電極１１２間の間隔１２０に対する比である。
【０１０１】
一実施形態において、表面プラズモン波の運動量の略垂直な要素に対応するためには、アスペクト比は、少なくとも１である。
【０１０２】
別の施形態において、アスペクト比は、少なくとも３である。
【０１０３】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは約１６より小さい。
【０１０４】
好適な実施形態において、アスペクト比は、少なくとも約４〜約１０より小さい。
【０１０５】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは少なくとも約１０よりも大きく約１５よりも小さい範囲にある。
【０１０６】
別の施形態において、アスペクト比は、好ましくは少なくとも約７〜約１２より小さい。
【０１０７】
一実施形態において、アスペクト比は、３以上１６以下である。
【０１０８】
さらに別の実施形態において、アスペクト比は、少なくとも約１０よりも大きく約１５よりも小さい範囲にある。
【０１０９】
表面プラズモンは、金属表面における電磁励起であり、一旦励起されると、エネルギーの一部が隣接する表面、この場合は半導体に転送される。従って、表面プラズモンは、光検出器の効率を高めるという利点を有する。従来技術のデバイスでは、検出器の面上にありこれと平行な表面プラズモンが、半導体にカップリングされた光量を向上させることがわかったため、表面プラズモンの考え方を、平ら又は低いプロファイルの電極幾何形状に応用した。
【０１１０】
さらに図６を参照すると、本発明のＭＳＭ検出器は、光の透過率を向上させるために、さらに検出器表面１１６、すなわちＣＭに略垂直方向の表面プラズモンを利用する。向上された透過率は、アスペクト比の高い電極構造を用いることにより実現することができる。向上された透過率は、電極１１２の隣接する指状部の間の間隔１２０をより小さく、また高さ１１８をより高くすることを可能とする。電極の高さ１１８が高いため、電極１１２の指状部の抵抗が小さくなり、デバイスの光感度を著しく下げることなく高速のデバイスを作り出す。小さい間隔１２０は、光生成キャリアの移動時間を短縮し、従って、同様にデバイスの光感度を著しく下げることなくデバイスの速度を速める。
【０１１１】
本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の間隔は、好ましくは約２０ナノメータ（ｎｍ）以上である。
【０１１２】
本発明に従って形成されるＭＳＭデバイスのさらに別の実施形態において、コンタクト、例えば櫛型指状部の特定の好適な幾何形状及びアスペクト比は、好適な波長、偏光性、及び所望の入射角感度によって決定される。最適な高さ１１８及びアスペクト比は、好ましくは、本発明に従って形成される光学検波器１１０の可視波長感度の好適な範囲により、ある程度決定される。一般に、コンタクト又は指状部の高さ１１８が高くなると、表面プラズモンエネルギーは減少し、対応する表面プラズモン共鳴の波長は増加する。高さ１１８は、好ましくは表面プラズモン共鳴波長が半導体１２２のピーク応答性での波長に対応するように選択され、検出器１１０は、半導体材料のピーク分光応答度の範囲の光の検出に最適化される。
【０１１３】
一実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の最小の高さは、約５０ｎｍである。
【０１１４】
さらに別の実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の高さは、約７５ｎｍ〜約７５０ｎｍの範囲にある。
【０１１５】
別の実施形態において、本発明の検出器の電極の電気コンタクト又は指状部の最大の高さは、約１５００ｎｍである。
【０１１６】
別の実施形態において、電気コンタクトの高さは、好適な検出波長域に匹敵するものである。
【０１１７】
さらなる実施形態において、電気コンタクトの高さは、２マイクロメータよりも大きい。
【０１１８】
偏光及び入射角が、特定の波長に集中し、直線状の段のあるプロファイル又は格子構造を介して透過する入射光の量へ依存することは、当業者には周知である。本発明の略規則的な電極パターンは、格子状構造を示す。従って、電極構造の幾何形状（特に、間隔１２０及び電極ピッチ）は、検出されるべき特定の波長の入射光の好適な入射角を向上するようさらに最適化されていることが好ましい。当業者には周知のように、透過される直線状に偏光した光の量は、主として電極構造の向きに対する入射偏光波の向きにより決定される。
【０１１９】
従って、本発明のデバイスは、略規則的な電極構造（すなわち、電極格子）によって生じる当業者には周知の共鳴カップリング効果を利用するために、電極の間隔、ピッチ、及び向きを最適化することが望ましい。これらのパラメータは、本発明に従って形成される検出器の好適な波長、偏光、及び入射角感度に従って最適化される。増加するスピードに対する抵抗を減少し、同時に、略垂直な表面プラズモンモードにカップリングする共鳴により好適な波長感度範囲内の光の透過を向上させるために、電極コンタクトの高さをさらに最適化する。
【０１２０】
さらに別の実施形態において、本発明のＭＳＭデバイスは、さらに略規則的なパターンで離間した、基板及び前記複数の電極と重ね合わせて配置される第２複数の電極を備える。この第２複数の電極は、第１電極の指状部の向きに相対的な角度で回転し、前記検出器表面の表面にある。この第２複数の電極は、好ましくは、第１電極の指状部に対して約９０°の角度で回転する。
【０１２１】
この第２複数の電極は、また、検出器表面に略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波に対応するよう構成されている。本実施形態のＭＳＭデバイスは、好ましくは、デバイスに入射する偏光されていない光の、少なくとも直交する直線状の偏光要素を共鳴カップリングし、従って、偏光されていない光の検出を向上するという利点がある。
【０１２２】
略垂直な運動量の要素を利用することにより、従来技術とは反対に、高い光感度及び速い応答時間の両方を、好適な波長、偏光、及び入射角で実現することができる。高いアスペクト比構造が、特にＣＭ表面プラズモンに対応するように構成される。
【０１２３】
図７を参照すると、本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の好適な実施形態１３０は、電極１１２の隣接する指状部の間の深い間隔１２０に位置する第２半導体材料１２８を備える。第２半導体１２８は、基板１２２と同じ半導体材料を含むことが好ましい。本実施形態において、吸収する半導体材料１２８は、好ましくは表面プラズモンにより生じる増幅した電磁場に位置し、従って、図７に示すデバイス１３０が既存のデバイスよりも高感度となる。
【０１２４】
光検出器の応答速度は、通常、デバイスが光に露出された後に均衡状態に戻るために必要な期間として定められた固有の応答時間により部分的に制限される。言い換えると、光のパルスが一般的なＭＳＭ検出器の半導体材料を透過するとき、半導体から電極方向へ引き寄せられる正孔対を生成する。正孔は負に帯電した電極の方へ移動するが、電子は正に帯電した電極の方へ移動する。光生成電子と正孔は、半導体材料を離れてそれぞれの電極に到達するか、又は互いに再結合する。電子と正孔の濃度が均衡状態に戻るまでにかかる時間が、固有の応答時間である。固有の応答時間は、通常、電極間の電子と正孔の移動時間又はキャリアの再結合時間により制限される。
【０１２５】
従って、従来技術のＭＳＭデバイスの応答速度は、隣接する電極間の間隔を減少させることにより速くなる。しかしながら、応答速度は、また、電極の抵抗とキャパシタンスにより部分的に制限され、電極の抵抗とキャパシタンスの結果に反比例する。従来技術においては、キャパシタンス及び移動時間は、いずれも、隣接する電極間の間隔及び電極の幅を減らすことにより、短縮することができるという利点が認識されている。しかしながら、そうすることにより、デバイスの抵抗は増加し、従ってデバイスの速度が減少する。
【０１２６】
図６に示すデバイス１１０及び図７に示すデバイス１３０の実施形態を参照すると、デバイス１１０の抵抗を低くするために高さ１１８とアスペクト比を増加しつつ、隣接する電極間又は電極の指状部間の間隔を減らして（移動時間を短縮することにより）スピードを速くすることにより、この固有の応答時間が短縮され、好ましくはデバイスの応答速度が速くなる。
【０１２７】
また図３を参照すると、本発明のＭＳＭデバイス１１０の応答速度は、例えば、櫛型電極４６のいわゆる指状部４８の抵抗とキャパシタンスの結果の逆に比例する。指状部の長さＣ０ごとのキャパシタンスは、以下の数式１により定義される。
【数１】
ここでＣ０は指状部の長さごとのキャパシタンス、ε０は自由空間の誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）、εｒは半導体の誘電率、Ｋ（ｋ）及びＫ（ｋ’）は以下の数式により定義される楕円積分である。
【数２】
【数３】
これらの数式において、ｗは電極幅であり、ｐは電極ピッチである。
【０１２８】
加えて、デバイス１０の総キャパシタンスＣは、以下の数式により、ピッチｐに反比例する。
【数４】
ここで、Ａｄｅｖｌｃｅ＝ｌｄｅｖｌｃｅ×ｗｄｅｖｌｃｅはデバイスの総面積であり、ｌｄｅｖｌｃｅ及びｗｄｅｖｌｃｅは、それぞれデバイスの長さと幅である。
【０１２９】
数式（１）〜（４）をあてはめ、指状部幅のピッチに対する比１３６の関数としての指状部の長さＣ０ごとのキャパシタンスをプロット１３２した図を図８に示す。図８より、電極指状部４８間の間隔１２０が固定電極ピッチｐに対して減少すると（又は、同等に、電極幅ｗがピッチに対して増加するとき）、全体としてのキャパシタンスＣが増加し、そのため、デバイスの速度が制限される。電極指状部の厚み１１８を増やして抵抗を低くすることによりキャパシタンスの増加が相殺され、電子の移動時間を短縮することにより間隔１２０が減少されて速度が速くなる。
【０１３０】
従って、本発明の一実施形態に従って形成されたデバイスの構造は、少なくともアスペクト比１を含み、検出器表面に対して略垂直な表面プラズモン共鳴モードを優先的にサポートする。この構造は半導体基板への光のチャネリングを促進する。アスペクト比の高い幾何形状により、抵抗が低くなり、電極間隔を減少することにより生じるキャパシタンスの増加の帯域幅を広げる効果を相殺し、デバイスの応答速度を速くする。さらに、電極の高さは、好ましくは好適な波長感度範囲に最適化され、速度、所望の好適な波長及び入射角及び偏光感度に対する高さと間隔の効果を考慮することにより、デバイスの最適アスペクト比及び好適な幾何形状が見出される。
【０１３１】
従来技術のデバイスにおける表面プラズモン共鳴の効果のモデルを作り、本発明に従って形成されるＭＳＭデバイスのＳＰを含むＥＲモードを最適化するために、数値モデルが開発されてきた。
【０１３２】
例えば、図９において従来技術のデバイスの分散曲線１４０を示す。エネルギーは、平面１４４上の表面プラズモン及び若干周期的に変調された金属表面１４６上の表面プラズモンモード用の全ての可能な発光モード（斜線部１４２）に対する波動ベクトルの関数として図示される。平面上の表面プラズモンモードを示す線１４４は斜線部１４２内に位置することはなく、これらのモードが光と互いに影響し合うことがないことを示す。偏光されたモードは斜線部１４２に位置し、光と互いに影響し合うことができる。これらのモードは、従来技術のデバイスを代表するデバイス表面に平行な運動量の要素のモードである。
【０１３３】
図１０は、周期的に小さく変調される空気／金属界面を有する表面１５４に平行な運動量Ｋｓｐ１５２を有する、一般的な（水平）表面プラズモンモード１５０の電磁場プロファイルを表わす。このフィールドは界面１５４において増幅され、検出器感度を高める。
【０１３４】
図１１を参照すると、アスペクト比が高い本発明のＭＳＭ検出器の分散曲線１６０は、図９と比較すればわかるように、ＨＳＰカップリングに最適化された従来技術のＭＳＭ検出器の分散曲線とは顕著に異なる。図１１に示すアスペクト比が高いＭＳＭデバイスは、厚みが２５０ｎｍで、２５０ｎｍ離れたコンタクトで、コンタクト間が３０ｎｍ開いた、８よりも大きいアスペクト比に対応するアルミニウムコンタクトを有する。
【０１３５】
図１１は、ｙ軸上のエネルギーとｘ軸上の正規化された平面運動量（すなわち、デバイスの表面に平行な運動量）の関数としての、この構造に入射する光の反射率のグラフである。反射率曲線の最小値は、表面プラズモンモードの存在を示している。図１１において、これらの最小値を濃い斜線又は斜線部で示す。
【０１３６】
図１１に示すｋｘ／（Ｋ／２）＝０（すなわちｙ軸）に近く、またこれに沿った表面プラズモンモードは、０に近い平面運動量及びデバイスの表面に対して略垂直な０ではない運動量を有する表面プラズモンモードに対応する。励起した又はこれらのモードを作り出す光は、略正規の入射光（すなわち、入射角が０の光）であり、ＭＳＭデバイスの利用において普通に見られる入射角である。
【０１３７】
この例で、検出器は、約５００ｎｍの可視波長における入射光での高められた透過に対応した約２．５ｅＶに集中するエネルギーに最適化される。
【０１３８】
図１２は、図１１に示すアスペクト比の高いＭＳＭ検出器の電磁場プロファイル７０のプロットである。
【０１３９】
本発明で開発される数値モデルは、ＷＲ異常、回折モード、ＣＭ及びＨＳＰモードを含むＥＲのいずれの組み合わせに利用されてもよい。同じモデルは、後で説明するシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造（図２２参照）により得られるファブリーペロー共鳴の分析に用いることもできる。
【０１４０】
上述のとおり、特定の格子構造の向上された透過の理由となるメカニズムについて、次第に受け入れられてきている見解は、垂直表面共鳴（ＶＳＲ）モードとも呼ばれる、ＣＭを介した最上層（空気）／コンタクト及びコンタクト／ボトム層（半導体）の界面上の、格子の溝部内のウッド・レーリー異常カップリングである。厳密カップリング平面波（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｎｅ ｗａｖｅ：ＲＣＰＷ）法、積分法、時間領域有限差分法、及びモード法を含む、いくつかの数値モデリング方法が、格子構造の光学的特徴を計算するために用いられてきた。
【０１４１】
本発明は、図２に表す複合構造ＥＲモードの分析に表面インピーダンス境界条件（ＳＩＢＣ）を拡大適用する。
【０１４２】
ＳＩＢＣ方法は、例えばＬｏｃｈｂｉｈｌｅｒ他「共鳴領域における高伝導針金格子」アプライド オプティクス、３２（１０）、３４５９〜３４６５ページ（１９９３）に記載されるように、誘電体／金属界面における電場及び磁場の接線要素間の以下の関係に組み込む近似値を用いる。
【数５】
ここで、Ｚ＝１／ｎｍｅｔａｌ、ｎｍｅｔａｌは金属の複素屈折率、
は誘電体／金属界面における誘電体に導かれる単位法線ベクトルである。ここで用いられる単位は、特に断りがない限りｃｇｓである。ｐ偏光及びマクスウェル方程式を用いることにより、以下が求められる。
【数６】
ここで、
は、誘電体／金属界面における誘電体材料の誘電率、
である。
【０１４３】
以下の例においては、全てのコンタクトが同一の厚みを有するものとして、拡張ＳＩＢＣ方法を用いて図２に示す構造を分析する。電磁場を計算する領域は４つある。領域１は空気領域６９、領域２は左溝部４４、領域３は右溝部６２、領域４は基板４０である。ＳＩＢＣ方法においては金属ワイヤの場は計算しないが、完全導体の近似式のように０と考えられているわけではない。ＳＩＢＣ方法の新しい見地がいくつか発展しており、ここで簡単に説明を加える。関数ｆｉ（ｘ，ｙ）をｉ番目の領域でｐ偏光された磁場とする。領域１〜４は以下のように表される。
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
ここで、
は構造の期間６０（１つの指状部から次の類似の及び同様に囲まれた指状部までの距離）、θｉは入射角、λは波長、εｉはｉ番目の領域の誘電率である。また、モードΦｉ，ｎはｉ＝２，３のとき、溝部において直交するモードの組を構成し、以下のとおりとなる。
【数１１】
【数１２】
【数１３】
ここで、δ２＝−ｘ５、δ３＝ｘ１、及び項μｉ，ｎ及びυｉ，ｎは次の関係に従う。
【数１４】
【０１４４】
上記のとおりフィールドを表した後、ＳＩＢＣ条件をまず用いてｄｉ，ｎ及びμｉ，ｎの項を計算する。溝部の左側に条件を適用することにより、以下の関係が得られる。
【数１５】
【０１４５】
ηの添え字は、領域（単純化された構造において１〜４のいずれか）を示す。また、ワイヤは異なる金属からなってもよいため、ηの添え字は、その特定の位置において金属／誘電体界面にどの金属が存在するのかを表さなければならない。空気及び基板領域においては、左、中央、及び右のη項がηｉＬ、ηｉＭ、ηｉＮと表される。２つの溝部領域においては、左及び右のη項しか存在しない。
【０１４６】
ＳＩＢＣ条件を２つの溝部の右側にあてはめると以下の関係が成り立つ。
【数１６】
【０１４７】
式１６は、数的にμｉ，ｎの値を求めなければならない。正確な結果が保証されるように、μｉ，ｎの値を正確に求めることは重要である。ｐ偏光については、ニュートン・ラルフソン法が通常は適当である。ｓ偏光については、式１６はより能力のある方法により求めなければならない。左手及び右手の境界金属が同じであれば、式１６は他等のＳＩＢＣ方法に関するそのほかの文献に記載の標準的な超越数の数式に変換する。
【０１４８】
不確定な係数Ｒｎ、Ｔｎ、ａｉ，ｎ、及びｂｉ，ｎは、その後、電場及び磁場の接線要素がどの界面でも連続して続くことを利用して確定される。領域１及び２の間、１及び３の間、２及び４の間、ならびに３及び４の間で界面の接線フィールド要素を標準化することにより、その間隔に対する数式が得られる。−ｘ５≦ｘ≦−ｘ４及びｙ＝０、ｘ１≦ｘ≦ｘ２及びｙ＝０、−ｘ５≦ｘ≦−ｘ４及びｙ＝−ｈ、ｘ１≦ｘ≦ｘ２及びｙ＝−ｈ。ＳＥＢＣ条件を強制することにより、ｙ＝０及びｙ＝−ｈについて、さらに３つの数式が生まれ、これは比較的簡単に使うことができ、マトリックス数式に変換される。まず、領域２及び３における直交モードの組を構成するモードＸ２，ｍ（ｘ）及びＸ３，ｍ（ｘ）は、例えば、溝部の左右の境界となる金属が同一である場合に用いることができる。しかしながら、これらのモードは、金属が異なる以下の正規化係数を有する場合にも直交する。
【数１７】
係数Ｎ３，ｍｎは、各項の添え字の２を３にするだけで同様である。上記の数式から、最終的に６つのマトリックス数式が導き出され、これはデバイス全体のフィールドプロファイルを表わす。この数式には、その後、入力ビームＩの振幅が与えられて、反射率、透過率、吸収、及び電磁場プロファイルが求められる。
【０１４９】
上述のとおり、本発明のＭＳＭデバイスの格子状電極構造用のＥＲモードには、水平表面プラズモンモード（ＨＳＰ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、及び垂直キャビティモード（ＣＭ）という、３種類の基本的なタイプがある。これら３つのモード及びその効果の例を、図１３〜図１４に示す。同一の幅５６が１５０ｎｍ、厚み５８が４００ｎｍ、第１コンタクトアレーのピッチ６０が６００ｎｍの金（Ａｕ）コンタクトと溝部の空気を有するＳｉＭＳＭ構造について、法線入射についての、シリコン（Ｓｉ）における反射率１８０、透過１８２、及び±第１位数の回折効率１８４を図１３に示す。このコンタクトは全て同一であるので、「真」のピッチは３００ｎｍである。図１３を参照すると、０．７３ｅＶでの広いＣＭ、１．１２ｅＶでのＨＳＰモード、及び関連する１．１６ｅＶでのＷＲがある。ＨＳＰは透過率におけるはっきりとした透過率の最小値をもたらし、ＣＭは透過率における最大値をもたらす。これらの３つのＥＲモードの磁場強度を、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、及び図１４（ｃ）に示す。図１４（ａ）は、１．１１ｅＶのＨＳＰについての有効電磁エネルギー密度のプロットである。ＨＳＰモードは、波長及び入射角に強く依存するという特徴を有する。一般に、ＨＳＰモードは、関連するＷＲ共鳴よりもわずかに低いエネルギーを有する。構造的に、ＨＳＰモードは、コンタクトピッチに対する中度から強度の依存を有し、コンタクトの厚み５８及びコンタクト窓幅に対する依存は小さく、第１金属コンタクト３２及び第２金属コンタクトに対して中度の依存を有する。
【０１５０】
ＨＳＰ１８６に対応する電磁場は、コンタクト／半導体界面の近傍で集中し且つ増幅され、電界強度の高い領域はこのコンタクトの真下に存在し、コンタクト窓の下には少ない。
【０１５１】
図１４ｂを参照すると、１．１６ｅＶのウッド・レーリー異常共鳴が示され、入射ビームの波長と入射角及び構造パラメータに対するＨＳＰと類似の依存を有することが示されている。加えて、ＷＲ電磁場１８８は、コンタクト／半導体界面４２の近傍で集中し増幅されるが、ＨＳＰほどではない。ＷＲ異常は回折モードの始まりであり、従って入射ビームのエネルギーが増加すると、コンタクト／半導体界面での制限が少なくなる。また、コンタクト及びコンタクト窓の両方の真下に電界強度の高い領域が存在する。
【０１５２】
図１４ｃに示す０．７３ｅＶのＣＭ１９０を参照すると、垂直キャビティモードは、ＨＳＰ及びＷＲよりも波長に対する依存が小さい。これらのモードでは、入射ビームの入射角への依存が弱い。構造的に、ＣＭはコンタクトピッチに対する小さな依存を示し、コンタクトの厚み５８、コンタクト窓幅、及び第１溝部４４及び第２溝部６２の誘電率に対しては中度から強度の依存を示す。ＣＭは第０位数の入射ビーム及び透過ビームとカップリングして高められた透過を作り出し、溝部領域４４に強い電界強度を有する。第０位数の入射ビーム及び透過ビームと関連するフィールドによって、ＣＭは図１４（ｃ）に類似のフィールドプロファイルを作り出すことができる。
【０１５３】
これら３つの種類のＥＲモードは、反射率、透過率、及びコンタクト／半導体近傍の光の濃度又は局所性に対して異なる効果を有する。図２に示す種類のラメラ格子において、ＷＲ及びＨＳＰは、通常、ペアで生じ、ＨＳＰのエネルギーは関連するＷＲモードよりもすこし小さい。ＷＲとＨＳＰはいずれも、誘電体／金属界面の近傍で光が集中するが、反射率及び透過率に対する効果が劇的に異なる。第０位数の入射ビーム、ＷＲ及び回折モードは、透過を促進するキャビティモードを介して金属コンタクト層の両面にカップリングされてよい。従って、ＷＲは反射率最小値と透過最大値につながることが多い。一方、ＨＳＰはその逆となり、反射率最大値と透過最小値を生じる。
【０１５４】
ＷＲとＨＳＰは、主として同じ構造的依存性を有しており、ＨＳＰは溝部内の金属及び誘電体材料に対してより感度が高い。ＨＳＰ及びＷＲの構造的依存性は、いずれも、ＣＭ構造的依存性とは大きく異なる。計算より、上に挙げたモードの構造的依存性の背後の明らかに物理学的な推論が裏づけられる。これは、ＨＳＰ／ＷＲペア及びＣＭにおけるエネルギーがかなり独立して生じ、ＣＭモードとＨＳＰ／ＷＲモードが整列して「ハイブリッド」モードを作り出すことを可能とするため、重要である。これらハイブリッドモードは、光電子工学での利用に有用であり、用途によっては、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭ、あるいはハイブリッドモードのいずれかが最も効果的となる。ＭＳＭ検出器については、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭのいずれも、それ自体では高速動作用としては理想的ではない。その理由は、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）において明らかである。ＨＳＰ及びＷＲは、いずれも、大きな電磁場分布をコンタクトの真下に作り出すが、そこでは印加されたバイアスにより生じる静電場が非常に小さい。また、ＨＳＰは、普通、光沢のある金属ワイヤ内での入射ビームの吸収作用が大きい。ＣＭモードは、第０位数の放射透過要素を作り出し、これによって半導体内部深くに大きな電磁場分布が生じるが、ここでもまた、印加されたバイアスにより生じる静電場は小さい。これら２つのモードはいずれも、望ましくない位置における光生成キャリアが、それぞれのコンタクトに向かってゆっくりと移動するキャリアを作り出し、これによりデバイスのスピードが制限される。
【０１５５】
用途に応じて光特性を合わせるために、この構造に導入可能な非対称性には、多くの種類がある。構造内に非対称性が導入されれば、即座に図２に示すように、真のピッチはもはや１つのワイヤの中間から次のワイヤの中間（あるいは先端から先端）までの距離ではなくなり、代わりに、その２倍の距離となる。
【０１５６】
異なる金属を、金属指状部に交互に使用することにより、電子と正孔のショットキ接触を個別に促進することができる。２つの異なる金属が、金、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）など、高い伝導率を有するものであれば、指状部の別の組については導電性が低い金属を用いることになるため、反射率と透過率の最大値と最小値を別にすれば、透過率は比較的同じとなる。アスペクト比が非常に高い透過型又は反射回折格子については、金属の選択がより一層の効果を生む。
【０１５７】
誘電体材料を溝部に配することにより、ＥＲモードにいくつかの効果が生じる。誘電体材料を各溝部に非対称に配する場合、格子のピッチが変わることはなく、従ってＨＳＰ及びＷＲのエネルギーもほとんど変わらない。しかしながら、ＣＭは、溝部の材料の誘電率が増えると、エネルギーが減少する。この現象は図１５において見られ、ここでＳｉバルク基板上の、ピッチ＝１．６μｍ、コンタクト幅ｗ＝０．５６μｍ、窓幅ｃ＝０．２４μｍ、コンタクト高さ（厚み）ｈ＝０．５μｍで、溝部が誘電率の一層高い誘電体で満たされたＡｕコンタクトを有する構造に対する法線入射光に対する反射率１９２が示される。図１５に、ε＝１の誘電率１９４からε＝２．２の誘電率１９６まで、０．２ずつ増加する、全ての溝部誘電体についての反射率１９２が示される。１つおきの溝部のεとして、ε＝１の２００からε＝４の２０２まで、０．５ずつ増加する反射率１９８が図１５の下半分に示される。この構造では、ε＝２．２の誘電率１９６を有する溝部について、ＨＳＰがエネルギーが０番目の透過モード２０４に分布することを制限していることが図１６に示されている。ＣＭモード及びＨＳＰ／ＷＲのペアが整列する、ＣＭモードとカップリングされることにより、反射率促進コンタクト／ＳｉＨＳＰとして、反射率１９６における鋭い最大値が効果的に励起される（図１６〜図１７参照）。図１７に、垂直表面プラズモン共鳴及び水平表面プラズモンの両方に関する通常の電磁場プロファイルを有する０．４５ｅＶのハイブリッドＨＳＰ／ＣＭモード２０８を示す。両方が励起されていることがはっきりと示されている。第０位数の透過ビームにはほとんど入射エネルギーがカップリングされていない。
【０１５８】
１つおきの溝部（交互の溝部）に誘電体材料を配し、構造の真のピッチ（構造の周期性）を当初の２倍に増やす場合、上述の場合に生じた現象と全く違う現象が生じる。ＨＳＰは構造の近傍により近接に制限され、構造の材料中の電磁場強度がより大きくなるため、ＷＲに比べて、ＨＳＰはより敏感に構造を変化させる。図１５の下半分において、交互の溝部誘電率が増加し、別の交互の溝部のセットの誘電率と異なると、即座に０．４５ｅＶのＨＳＰ２１０は実質的に弱められる。図１８を参照すると、一旦ＨＳＰが退くと、入射ビーム及びＳｉにおけるＷＲ／１番目の回折モードはＣＭを介してより強くカップリングすることができる。新たな「真」のピッチは第１及び第２溝部誘電体が同じであったときの２倍なので、０．４５ｅＶで鋭い最大値を有する新たな±１回折要素２１２が０．２２ｅＶから始まる。図１８の０．４５ｅＶの場合に示すように、入射ビームは、５０％が＋１Ｓｉ回折オーダーにカップリングして、５０％が−１回折オーダーにカップリングし、コンタクト／Ｓｉ界面に平行に進むビームとなる。０．４５ｅＶハイブリッドＣＭ／ＷＲモードについて、図１９ａに磁場強度プロファイル２１４を示し、図１９ｂにポインティングベクトル２１６の図を示す。この図はいずれも、入射ビームからのエネルギーが右手溝部６２を介して（ε＝３．８の誘電体材料で）ＷＲ／±１Ｓｉ回折オーダーへコンタクトの周囲を導かれることを示す。
【０１５９】
上述の本発明の方法と分析とを、高帯域、高応答性ＭＳＭ光検出器の設計に適用する際、ＨＳＰ、ＣＭ、及びハイブリッドモードの特性における、使用材料に対する依存性を考慮しなければならない。ＨＳＰ、ＣＭ、及びハイブリッドモードの明らかなエネルギー依存性の他にも、設計上考慮すべきことがある。例えば、直接的バンドギャップ材料は、通常、吸収係数が大きい（吸収長が小さい）。従って、コンタクト／半導体界面近傍の入射電磁場プロファイルを制限する方法は必要ないかもしれない。また、εの虚数部分が大きい材料又はエネルギーにおいて、ＨＳＰモードはより弱く十分に定義されない。この２点より、直接的バンドギャップ材料において、ＨＳＰ又はハイブリッドモードは、ＣＭに比べて使用においてあまり興味はもたれないであろう。しかしながら、Ｓｉ系ＭＳＭにおいては、Ｓｉが間接的バンドギャップ材料であり、８５０ｎｍ前後の重要な波長域における吸光係数が小さいか中程度であるため、状況は異なる。従って、本発明のＭＳＭデバイスは、高速動作用に、ＨＳＰ、ＷＲ、又はハイブリッドモードに最適化されることが好ましい。最も好ましくは、ＳｉＭＳＭ光検出器はＷＲ／ＣＭのハイブリッドモードをカップリングするように最適化される。
【０１６０】
図２の幾何形状を参照すると、この種のハイブリッドＥＲモード（ＷＲ／ＶＳＲ及びＳｉ内の回折要素）をカップリングするＭＳＭ検出器の一実施形態において、電極構造は、コンタクト周辺及びコンタクト間のコンタクト／Ｓｉ界面近傍に局在する入射光を導くことにより、高応答性・高帯域バルクＳｉＭＳＭ−ＰＤを得るように最適化される。本実施形態において、ＭＳＭ検出器の基板４０はシリコンを含む。第２溝部６２の第２誘電率は、好ましくは第１溝部４４の第１誘電率よりも大きい。最も好ましくは、第２誘電率は、約１．７５〜約４の範囲にある。
【０１６１】
一実施形態において、第２誘電体はシリコン酸化物を含むことが好ましい。
【０１６２】
好ましくは、第１厚み５８及び第２厚み６６のうち少なくとも１つは、少なくとも１００ｎｍである。
【０１６３】
別の施形態において、第１コンタクト厚み５８及び第２コンタクト厚み６６は、それぞれ、約１２５ｎｍである。
【０１６４】
この好適なシリコンＭＳＭ検出器において、電極の第１アレー３２及び第２アレー５０に関連する構造は、好ましくは、入射光波と、ＷＲ／ＣＭ及びＳｉに回折要素を有する局所的なイブリッドＥＲモードとを共鳴カップリングする。
【０１６５】
このデバイスの第１コンタクト幅５６及び第２コンタクト幅６４は、等しくてもよい。
【０１６６】
別の施形態において、第１コンタクト幅５６は第１窓４４の幅よりも大きく、第２コンタクト幅６４は第２窓６２の幅よりも大きい。これらのコンタクト幅は、それぞれ窓幅の少なくとも２倍であることが好ましい。また、第１及び第２窓幅は、等しくてもよい。
【０１６７】
シリコンＭＳＭデバイスは、応答性が少なくとも０．２５Ａ／Ｗで、帯域幅が少なくとも１５ＧＨｚであることが好ましい。
【０１６８】
ＳｉＭＳＭ検出器の動作波長域は、８００ｎｍ〜９００ｎｍを含むことができる。最も好ましくは、動作波長域は約８３０ｎｍ〜約８５０ｎｍである。
【０１６９】
図２０〜図２１は、それぞれ、本発明のシリコンＭＳＭ光検出器の、エネルギー密度プロファイル２１６及び誘発された光電流２１８のプロットであり、幅３００ｎｍ、厚み１２５ｎｍのＡｕの第１コンタクト３２及び溝部幅が１５０ｎｍの交互の（第１）溝部４４を有する第２コンタクト５０を有する、誘電率ε＝２を有する誘電体材料が挿入される、。図２０は、このＳｉＭＳＭ構造用の１．４６ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁密度を示す。ここに示すように、このハイブリッドモードは、窓４４及び６２の下のコンタクト／Ｓｉ界面近傍の電磁場（高濃度領域は図中最も明るく白っぽい部分である）に、主に集中している。これらのデバイスのモデリングで通常考えられるように、入射ビームによって生み出される、ゆっくりとした幾何学級数的に崩壊していくエネルギー密度プロファイルの代わりに、エネルギーは主にＳｉ表面の近くに集中する。図２１は、ワイヤ内に誘発された電子電流と正孔電流が、一連の１０ｐｓの期間、５０％のデューティサイクル、８５０ｎｍの光の入射パルスを与えることを示す。５ｍＷのＴＭ偏光入力パルストレイン（グレーの部分）２２０、電子電流２２２、及び正孔電流２２４が示される。これらの結果から、このデバイスは、少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性を有しながら、少なくとも３０の帯域幅を有することができることが示唆される。
【０１７０】
幅及び厚みの非対称性は、特に特にＨＳＰ及びＷＲモードの数の増加につながる。ＣＭモードのエネルギーは、大きくは変化しないが、ＨＳＰ／ＷＲモードの数の増加は広いＣＭモードのエネルギー範囲に原因があるかも知れず、これらに影響を与える可能性がある。加えて、格子のピッチは空気／コンタクトのＨＳＰ／ＷＲ及びコンタクト／半導体のＨＳＰ／ＷＲの両方から２倍増加するため、格子の「有効」ピッチは空気中の電磁場の投影や半導体基板における電磁場の投影によって異なり得る。格子のピッチは、空気／コンタクトのＨＳＰ／ＷＲのみの投影から２倍増加する一方で、コンタクト／半導体のＨＳＰの投影からは同じであってもよい。
【０１７１】
つまり、本明細書に記載の拡張ＳＥＢＣ法を用いることにより、ＨＳＰ、ＷＲ、及びＣＭモードのエネルギーは、異なる構造及び材料パラメータを変更して、個別に変更することができる。加えて、ＨＳＰの効果は最小化され、ＷＲ及びＣＭモードは１つおきの溝部の誘電率を増加することにより整列さえることができる。また、ここで説明した非対称性のいずれか１つを構造に加えることにより、この構造の「実際」のピッチを２倍にするが、「有効」ピッチは導入する非対称性によって２倍にすることも、またしないこともできる。本発明は、ＨＳＰ、ＷＲ、ＣＭ、及びハイブリッドモードのカップリングを最適化することにより、帯域幅が５０ＧＨｚを越え、応答性が０．３Ａ／Ｗを越える高速ＳｉＭＳＭ光検出器を提供する。
【０１７２】
以上、基板がバルク形状の半導体を含むと仮定して、本発明のＭＳＭデバイスについて検討と分析を加えた。しかしながら、この半導性基板はこれに限らない。
【０１７３】
図２２を参照すると、ＭＳＭデバイス２２５のさらなる実施形態において、基板はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造２２６を含む。ＳＯＩは３層誘電体構造２２６であり、シリコン２２８の最上層とシリコン２３２の最下層層との間に配された絶縁体層２３０を備える。
【０１７４】
シリコン系金属−半導体−金属光検出器（ＭＳＭ−ＰＤ）及び関連するＳｉ系光検出構造は、光学的及び電気的要素を同一チップ上で統合することができるため、大変興味深いものである。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ等の他のいくつかの材料を用いて製造されたＭＳＭ光検出器と比べると、ＳｉＭＳＭ−ＰＤの性能は劣る。これは、主として、Ｓｉが間接的バンドギャップ材料であり、吸収長が長いことによる。これにより、Ｓｉの内部深くに生成される電子と正孔のペアがコンタクトに移動するまでに長時間かかり、コンタクトで誘発される光電流がごく小さいものとなる。ＳｉＭＳＭの帯域幅及び応答性を促進するための多くの方法があるが、一方を高めようとすると他方が悪化する傾向があった。シリコン領域に埋め込み層を導入することにより、バルクシリコン半導体の内部深くに生成されたキャリアを検出器の活性領域から分離することができ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）のコンタクト／シリコン／酸化物層を用いてＳｉの上面に光が集中する共鳴キャビティを作り出すことができることが報告されている。いずれもデバイスの性能を高めると考えられる。別の方法では、ＳＯＩ層の上面に金属の島を用いて、活性シリコン領域に更なる光をカップリングする。しかし、正確な、時間依存及び相互依存した形でのデバイスの光学的及び電気的特性の完全な分析（すなわち入射ビーム、静的な場、及び電荷担体の運動と、これら相互に対する影響を同時に分析すること）は、いまだ行われていない。電磁場、電荷担体の生成率、及び誘発される電流に関するこれら過去の研究における仮定は、Ｓｉ系ＭＳＭデバイスにおけるＥＲモードの可能性を促進する能力の過小評価を導く。
【０１７５】
図２２を参照し、以下の本発明にかかるＳＯＩ半導体２２６を有するＭＳＭの例を、ＳＯＩ上に製造されたＭＳＭにおける水平表面プラズモン（ＨＳＰ）、垂直表面共鳴（ＶＳＲ）とも呼ばれる表面プラズモンキャビティモード（ＣＭ）、ウッド・レーリー異常（ＷＲ）、ここではキャビティ共鳴（ＣＲ）とも呼ばれるファブリーペロー共鳴（ＦＰＲ）、及び回折モード（ＤＭ）を含む、各種の電磁共鳴との関連で説明する。これらのモードの組み合わせは、本発明のＳＯＩのＭＳＭ光検出器の帯域幅と応答性を促進する。この計算を行うことにより、時間依存及び相互依存した形の３つのアルゴリズムが用いられる。（１）入射ビームにより生じる電磁場プロファイルを計算する拡張表面インピーダンス境界条件（拡張ＳＩＢＣ）、（２）印加されたバイアスと電荷担体により生成される擬似静的フィールドを求めるポアソン方程式解法、（３）電荷担体の動き、光電流、再結合、帯域幅、及び応答性を計算するモンテカルロアルゴリズム、である。ＥＲモードの組み合わせ、すなわち、ハイブリッドＥＲモードは、デバイスの性能を高めるために２つのことを実現するように最適化されることが好ましい。空気／コンタクト界面及びコンタクト／半導体界面上でのＣＭを介したＷＲ及び回折モードのカップリングによって、金属コンタクトの周囲に光を導くことと、Ｓｉのコンタクト／Ｓｉ界面及びコンタクトの間に光を限定する又は集中させることである。ＷＲ及び回折モードのカップリングにより光を導くことにより、応答性が高まる。光をＳｉに限定することは、既に既に述べたとおり、帯域幅を向上させる。
【０１７６】
ＳＯＩにおいて、これら２つの様態は、ＳＯＩのコンタクト／Ｓｉ／絶縁体共鳴キャビティと関連したＦＰＲを用いることにより、１ステップ進むことになる。Ｓｉ層２２８の共鳴キャビティは、例えば、コンタクト３２により一方に結合され、絶縁体２３０によって他方に結合される。ＦＰＲをハイブリッドＥＲモードと統合することにより、新たなハイブリッドモードが形成され、入射ビームの極めて大きな範囲の限定が可能となる。
【０１７７】
デバイス２２５の多くの様態は、各種のＥＲモードを利用し、ＭＳＭ検出器について半導体内に最適な電磁場強度プロファイルを作りだすために、変更することができる。空気領域Ｉ６９、領域ＩＶを形成する第１半導体層２２８、第２半導体層２３２、領域ＶＩ、及び絶縁領域Ｖ２３０内のフィールドは、好ましくは、フロケの定理による擬似フーリエ拡張で表わされる。溝部領域ＩＩ４４及びＩＩＩ６２のフィールドは、好ましくは、直交モードの一次結合として表わされ、既に述べたように、またＬｏｃｈｂｉｈｌｅｒ他「共鳴領域における高伝導針金格子」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、３２（１０）、３４５９〜３４６５ページ（１９９３）で記載されるとおり、拡張ＳＩＢＣ法を用いて計算される。ここで示される結果は全て、ＴＭ偏光（ＳＰはＴＭ偏光についてのみ起こる）と法線入射についてのものである。
【０１７８】
図２３を参照すると、コンタクト／Ｓｉ／絶縁体層によって生じるＦＰＲモードを含む、ＳＯＩ半導体の構造内で生じる各種の異なるＥＲモード及び回折モードがある。この共鳴効果は、ＳＰへのつながりを全く持たない単純なファブリーペロー効果である。一番上のＳｉ薄膜２２８の厚みは、このＦＰＲモードのエネルギーがバルクＳｉＭＳＭ−ＰＤで用いられるハイブリッドＷＲ／ＶＳＲモードのエネルギーと一致するように調整されることが好ましい。これによって、電磁エネルギー密度２３４のプロファイルでみるように、コンタクト／Ｓｉ界面近傍の光の局所性が著しく高められる。
【０１７９】
図２４に、一連の反射率曲線を示す。図２４の一番上のグラフは、上記のバルクＳｉＭＳＭ−ＰＤについての反射率２３６を示すが、バルクＳｉの代わりに、３５０ｎｍの一番上のＳｉ層２２８とこれに続く厚みが５０ｎｍのシリコン酸化物絶縁体２３０を有している。デバイス２２５は、ピッチｄ＝２ｘ３＝９００ｎｍ、幅ｗ＝３００ｎｍ、及び厚みｈ１＝１２５ｎｍの同一のＡｕコンタクトと、幅ｃ＝１５０ｎｍ及び誘電率ε２＝２の交互の溝部の組と、幅ｃ＝１５０ｎｍ及び誘電率ε３＝１の交互の溝部の別の組とを有する。
【０１８０】
本発明のＳｉＭＳＭ光検出器の一実施形態において、基板は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造を備える。ＳＯＩは、Ｓｉの最上層２２８及び絶縁体層２３０を有する。好ましくは、最上層２２８は約３００ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲にある。絶縁体層は、約２５ｎｍと約７５ｎｍの間にあることが好ましい。
【０１８１】
上述の、バルクＳｉＭＳＭ−ＰＤについてのＥＲ共鳴モードは、ＷＲ、Ｓｉの回折要素、及びＶＳＲからなるハイブリッドＥＲモードを利用して、コンタクトの周囲に導かれ、このコンタクト間のコンタクト／Ｓｉ界面の近傍に局在する、望ましい電磁場強度プロファイルを作り出す。
【０１８２】
図２４を参照すると、ＳＯＩ構造２２６を備えるデバイスについての反射率曲線２３６は、ＳＯＩ半導体の共鳴効果の結果としての特徴をさらに有する。共鳴に対して建設的及び破壊的なＳＯＩの界面効果に関し、周期的な最大値と最小値がある。これらの効果は、バルクＳｉＭＳＭの反射率が低いとき（すなわち、より多くの光量が構造に入ってＳＯＩ共鳴効果が起こるとき）に、最も明らかとなる。
【０１８３】
図２４に、比較のため、さらに２つの反射率曲線を示す。それぞれＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤと同じ寸法、すなわちＳｉ最上層２２８（３５０ｎｍ）及び酸化物層２３０（５０ｎｍ）のＳＯＩ半導体である。一方の反射率曲線２３８は、厚みが３０ｎｍの連続した（すなわち、パターンのない）Ａｕ膜を有する構造を備え、もう一方の反射率曲線２４０は、金属膜がない場合を比較のために示した。これら２つの比較用曲線は、Ｓｉ薄膜の一方と結合しているのが空気か金属によって、反射率の最大値／最小値の場所（エネルギーに関して）に大きなばらつきがあること示すために用意した。デバイス全体（パターンを持つコンタクト及びＳＯＩ）を含むＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤの光学的特性の正確な計算は、好ましくは本発明の拡張ＳＩＢＣ方法を用いて行われる。
【０１８４】
図２３を参照し、１．４６ｅＶでのエネルギー密度プロファイル２３４を示す。光の局所性は、静的場が最大になるコンタクト窓４４及び６２の下で最も大きくなる。一方。バルクＳｉ２３２の底部のフィールドは、事実上ゼロとなる。これにより、電子と正孔のペアが基板の内部深くに生じることを防ぐことができるため、帯域幅及び応答性を向上させることができるため、望ましい。ＥＲモードのチャネリング効果、特に、ＣＭモードは、入射光が金属コンタクトの周囲を活性Ｓｉ領域２２８へと導かれることを示す。その後、Ｓｉ最上層２２８への光の限定を支援するためにＣＲ（ＦＰＲ）が用いられる。
【０１８５】
トップのＳｉ薄膜２２８ならびにコンタクト３２及び５０の間に光が限定されるため、デバイス２２５の帯域幅及び応答性は、従来のＭＳＭ検出器よりも高くなる。特に、本発明のＭＳＭデバイスでは速度がＳｉ内での電荷担体の動作ではなく、金属指状部のキャパシタンス及び抵抗ならびに負荷により制限される。
【０１８６】
印加されたバイアスと光パルスの強度と期間の関数としての、印加されるバイアスによりコンタクト内に誘発される光電流の分析に必要な、時間に依存する相互依存的なアルゴリズムを計算することができる。一旦入射ビームにより生じる電磁場強度プロファイルが上述のように計算されると、ポインティングベクトルの分岐が計算される。ポインティングベクトルの分岐に比例する電子と正孔の生成率も計算することができる。ポアソン方程式解法及びモンテカルロアルゴリズムは、その後、好ましくは、擬似静的フィールド、誘発された光電流（Ｒａｍｏの定理を用いて）、帯域幅及び応答性を計算に用いられる。
【０１８７】
図２５において、一連の５ｍＷ、１０ｐｓ、５０％のデューティサイクルパルスで、８５０ｎｍのＴＭ偏光された光により励起されたと仮定したときの、図２２〜図２３に示す５０μｍ×５０μｍのＭＳＭ光検出器２２５の時間領域応答を示す。誘発された電子電流２４２及び誘発された正孔電流２４４の双方が示されている。このデバイスのこの速度での応答性は、少なくとも０．３Ａ／Ｗであり、また、０．４Ａ／Ｗ以上であってもよい。２つの電流要素の立ち上がり時間と立ち下がり時間は大変短く（５ｐｓ）、これらのデバイスが、少なくとも約０．３Ａ／Ｗの高応答性を維持しつつ、５０ＧＨｚを越える、あるいは８０ＧＨｚもの帯域幅を実現することができるかもしれないことを示している。
【０１８８】
本発明のＳｉＭＳＭ検出器の一実施形態において、８３０ｎｍ〜８５０ｎｍの動作波長域で、応答性は少なくとも０．２５Ａ／Ｗであり、帯域幅は少なくとも３０ＧＨｚである。
【０１８９】
従って、本発明のＭＳＭデバイスの性能は、例えばＳＯＩのＭＳＭ−ＰＤ等の、着目する動作デバイスパラメータを正確に計算する時間依存及び相互依存したアルゴリズムから求められる。本発明のＭＳＭデバイスは、デバイス性能を向上させるＥＲモードの組み合わせを用いて最適化される。一実施形態において、このＭＳＭデバイスは、より望ましいデバイス動作特徴のためにより大きい波長入射角範囲を生じる電極構造を備える。最適化の方法は、熱効果、空間正孔バーニング、及びデバイス浸透、ならびに集積回路（ＩＣ）に対応するその他の様態、例えば負荷、の分析を含む。
【０１９０】
ここに添付の図面を参照して本発明の具体的な実施形態を記載したが、本発明がこれらの正確な実施形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、当業者は、本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく、これに各種の変更や修正を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１９１】
【図１ａ】第１位数の水平表面プラズモン（ＨＳＰ）モードについての摸擬磁場強度が重畳された金属−半導体−金属（ＭＳＭ）検出器の部分断面図である。
【図１ｂ】第１位数の垂直表面プラズモン又はキャビティモード（ＣＭ）についての摸擬磁場強度が重ね合わされたＭＳＭ検出器の部分断面図である。
【図２】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の実施形態の部分断面図である。
【図３】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の実施形態の櫛型電極構造の上面図である。
【図４ａ】Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含むＭＳＭ構造の０．３６ｅＶでの第１位数のＨＳＰモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図４ｂ】本発明に従って形成されたＭＳＭ構造の実施形態の０．５ｅＶでの第１位数のＣＭに対する有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図４ｃ】Ｈｇ．２７６Ｃｄ．３２４Ｔｅを含む本発明にかかるＭＳＭデバイスの実施形態の０．３７ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図５】本発明にかかるＳｉＭＳＭデバイスの１．６ｅＶでのハイブリッドモードについての有効電磁エネルギー密度を示す図である。
【図６】本発明に従って形成されたアスペクト比の高いＭＳＭ検出器の別の実施形態の断面側面図である。
【図７】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器のさらに別の実施形態の断面側面図である。
【図８】一般的な従来技術のＭＳＭデバイスのキャパシタンスを示す図である。
【図９】従来技術のＭＳＭデバイスの分散曲線である。
【図１０】従来技術のＭＳＭデバイスの電磁場プロファイルを示す図である。
【図１１】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の分散曲線である。
【図１２】本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の電磁場プロファイルを示す図である。
【図１３】本発明のＭＳＭ光検出器の反射率、第０位数の透過率、及び第１位数の回折効率を示す図である。
【図１４ａ】ＭＳＭ検出器のＨＳＰ（１．１１ｅＶ）の有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１４ｂ】ウッド・レーリー異常（１．１６ｅＶ）の有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１４ｃ】第０位数の透過要素の強度が高い０．７３ＣＭの有効電磁エネルギー密度プロファイルの例を示す図である。
【図１５】溝部に誘電体を配することによる効果を説明するＭＳＭデバイスの反射率曲線を示す図である。
【図１６】ＣＭモードにカップリングされることにより強く励起するＨＳＰを説明する、シリコン半導体内の反射率、透過率、ならびに第１位数及び第２位数の回折効率を示す図である。
【図１７】０．４５ｅＶのハイブリッドＨＳＰ／ＣＭモードの有効電磁場密度プロファイルである。
【図１８】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の反射率、第０位数の透過率、及び回折効率を示す図である。
【図１９ａ】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の０．４５ｅＶのハイブリッドＣＭ／ＷＲモードの有効電磁場密度プロファイルである。
【図１９ｂ】図１９ａのデバイスのポインティング・ベクトルを示す図である。
【図２０】本発明のＭＳＭ光検出器のＳｉ内の１．４６ｅＶでのハイブリッドモードの有効電磁場密度プロファイルを示す図である。
【図２１】図２０のデバイスの電子電流と正孔電流を示す図である。
【図２２】好適な本発明に従って形成されたＭＳＭ検出器の部分断面図である。
【図２３】図２２の好適なＭＳＭ検出器の有効電磁場密度プロファイルである。
【図２４】図２０の好適なＭＳＭ検出器の反射率曲線を電極構造なしで得られた反射率曲線と比較して示す図である。
【図２５】図２２のデバイスの電子電流と正孔電流を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略規則的なパターンで離間し、外部光波と局所的な光波との間を共鳴カップリングし、かつ隣接電極間に電位差を可能にするように構成された複数の電極であって、金属を含む電極と、
前記複数の電極に関する構造であって、前記構造と前記複数の電極とが前記局所的な光波をサポートする構造と、
前記複数の電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える外部光波の強さを検知する光学検波器であって、
前記電極と関連して重ね合わされた半導体を含む基板と、
隣接する電極間の間隔に対する前記複数の電極の高さが少なくとも１のアスペクト比とを備え、
前記局所的な光波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波を有する、外部光波の強さを検知する光学検波器。
【請求項２】
前記間隔は少なくとも約２０ナノメータである、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項３】
前記アスペクト比は少なくとも３である、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項４】
前記アスペクト比は約４より大きく約１６より小さい、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項５】
前記アスペクト比は約１０より大きく約１５より小さい、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項６】
前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか一つを含む、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項７】
前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を備える、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項８】
検出器表面の面上で９０°回転した略規則的なパターンで離間した第２複数の電極であって、第２複数の電極は、前記複数の電極及び前記基板と重ね合わされ、前記第２複数の電極は前記外部光波と前記表面プラズモン波とを共鳴カップリングするよう構成され、前記表面プラズモン波は、前記検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項９】
前記隣接する電極間の間隔を略充填する半導体層をさらに備える、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１０】
前記複数の電極の高さは少なくとも約５０ナノメータである、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１１】
前記複数の電極の高さは約５０ナノメータ〜約１５００ナノメータの範囲にある、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１２】
前記複数の電極の高さは約１００ナノメータ〜約７５０ナノメータの範囲にある、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１３】
第１幅を有する第１コンタクト窓、第１誘電率を有する第１コンタクト窓誘電体と、第１コンタクト厚み及び第１コンタクト幅を備える、第１電極の第１アレーと、
第２幅を有する第２コンタクト窓、第２誘電率を有する第２コンタクト窓誘電体、第２コンタクト厚み及び第２コンタクト幅を備える、第２電極の第２アレーであって、前記第２電極が前記第１アレーに対して直線的に移動され、前記第１電極と互いにかみ合っている、第２アレーと、
を備える波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイスであって、さらに、
ピッチと、
前記第１アレー及び前記第２アレーに関する構造であって、前記入射光波と少なくとも局在表面プラズモン波のキャビティモードを含む局所的な電磁共鳴とを共鳴カップリングする構造と、
前記第１アレー及び前記第２アレーを有する前記構造が重ね合わされた基板と、
前記第１電極及び前記第２電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える、波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイス。
【請求項１４】
前記基板は、ＩＶ元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ元素半導体、及びＩＩ−ＶＩ元素半導体のいずれか１つを含む、請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか１つを含む、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記基板は水銀カドミウムテルルを含み、前記第１電極及び前記第２電極はアルミニウムを含み、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあって且つ前記第２誘電率よりも大きい、請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータの範囲を含む、請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記構造はハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも４．０マイクロメータ〜約１５マイクロメータの範囲を含み、前記第１幅及び第２幅はそれぞれ、はそれぞれ、０．５マイクロメータ〜０．９マイクロメータの範囲にあり、第１コンタクト厚みと第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．４５マイクロメータ〜０．８５マイクロメータの範囲にあり、第１コンタクト幅と第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２マイクロメータ〜０．５マイクロメータの範囲にある、請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記基板はシリコンを含み、前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は約８３０ナノメータ〜少なくとも約８５０ナノメータの範囲を含み、さらに、前記第１コンタクト幅と前記第２コンタクト幅はそれぞれ、前記第１幅と前記第２幅よりも大きい、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記第１電極及び前記第２電極は金からなり、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあって前記第２誘電率よりも大きい、請求項１９に記載の光デバイス。
【請求項２１】
前記第１コンタクト厚み及び前記第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．０７５〜０．２マイクロメータの範囲にある、請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２２】
前記第１幅と前記第２幅はそれぞれ、０．０７５マイクロメータ〜０．２５マイクロメータの範囲にある、請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２３】
前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２４】
前記基板はシリコンを含み、前記第２誘電率は前記第１誘電率よりも大きく、前記第１コンタクト幅と前記第２コンタクト幅は、それぞれ、前記第１幅と前記第２幅よりも大きい。請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２５】
前記第１電極及び前記第２電極は金属を含み、前記第１コンタクト厚み及び前記第２コンタクト厚みのうち少なくとも１つは、少なくとも１００ｎｍである、請求項２４に記載の光デバイス。
【請求項２６】
前記第２誘電率は１．７５〜４．０の範囲にある、請求項２４に記載の光デバイス。
【請求項２７】
前記第１コンタクト幅は前記第１幅の少なくとも２倍であり、約０．２マイクロメータ〜約０．４マイクロメータの範囲にある、請求項２５に記載の光デバイス。
【請求項２８】
８３０ｎｍ〜８５０ｎｍの動作波長域で少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性と少なくとも３０ＧＨｚの帯域幅を有する、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項２９】
前記第２誘電率は前記第１誘電率よりも大きく、前記第１コンタクト幅は前記第１幅よりも大きい、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項３０】
前記第２誘電体はシリコン酸化物であり、前記第１コンタクト幅は前記第１幅の少なくとも２倍であり、前記第１厚み及び前記第２厚みはそれぞれ、少なくとも１００ｎｍである、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項３１】
前記基板はシリコン最上層と絶縁体層とを含み、前記シリコン最上層は約３００ナノメータ〜約４００ｎｍの範囲にあり、前記絶縁体層は約２５ｎｍ〜約７５ｎｍの範囲にある、請求項３０に記載の光デバイス。
【請求項１】
略規則的なパターンで離間し、外部光波と局所的な光波との間を共鳴カップリングし、かつ隣接電極間に電位差を可能にするように構成された複数の電極であって、金属を含む電極と、
前記複数の電極に関する構造であって、前記構造と前記複数の電極とが前記局所的な光波をサポートする構造と、
前記複数の電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える外部光波の強さを検知する光学検波器であって、
前記電極と関連して重ね合わされた半導体を含む基板と、
隣接する電極間の間隔に対する前記複数の電極の高さが少なくとも１のアスペクト比とを備え、
前記局所的な光波は、検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する表面プラズモン波を有する、外部光波の強さを検知する光学検波器。
【請求項２】
前記間隔は少なくとも約２０ナノメータである、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項３】
前記アスペクト比は少なくとも３である、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項４】
前記アスペクト比は約４より大きく約１６より小さい、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項５】
前記アスペクト比は約１０より大きく約１５より小さい、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項６】
前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか一つを含む、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項７】
前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を備える、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項８】
検出器表面の面上で９０°回転した略規則的なパターンで離間した第２複数の電極であって、第２複数の電極は、前記複数の電極及び前記基板と重ね合わされ、前記第２複数の電極は前記外部光波と前記表面プラズモン波とを共鳴カップリングするよう構成され、前記表面プラズモン波は、前記検出器表面に対して略垂直方向の運動量の要素を有する、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項９】
前記隣接する電極間の間隔を略充填する半導体層をさらに備える、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１０】
前記複数の電極の高さは少なくとも約５０ナノメータである、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１１】
前記複数の電極の高さは約５０ナノメータ〜約１５００ナノメータの範囲にある、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１２】
前記複数の電極の高さは約１００ナノメータ〜約７５０ナノメータの範囲にある、請求項１に記載の光学検波器。
【請求項１３】
第１幅を有する第１コンタクト窓、第１誘電率を有する第１コンタクト窓誘電体と、第１コンタクト厚み及び第１コンタクト幅を備える、第１電極の第１アレーと、
第２幅を有する第２コンタクト窓、第２誘電率を有する第２コンタクト窓誘電体、第２コンタクト厚み及び第２コンタクト幅を備える、第２電極の第２アレーであって、前記第２電極が前記第１アレーに対して直線的に移動され、前記第１電極と互いにかみ合っている、第２アレーと、
を備える波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイスであって、さらに、
ピッチと、
前記第１アレー及び前記第２アレーに関する構造であって、前記入射光波と少なくとも局在表面プラズモン波のキャビティモードを含む局所的な電磁共鳴とを共鳴カップリングする構造と、
前記第１アレー及び前記第２アレーを有する前記構造が重ね合わされた基板と、
前記第１電極及び前記第２電極に接続され、電気量を検知するセンサと、
を備える、波長域内の入射光波の強さを検知する光デバイス。
【請求項１４】
前記基板は、ＩＶ元素半導体、ＩＩＩ−Ｖ元素半導体、及びＩＩ−ＶＩ元素半導体のいずれか１つを含む、請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記基板は、水銀カドミウムテルル、インジウムガリウムヒ素、及びシリコンのいずれか１つを含む、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記基板は水銀カドミウムテルルを含み、前記第１電極及び前記第２電極はアルミニウムを含み、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあって且つ前記第２誘電率よりも大きい、請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも約２．０マイクロメータ〜約４．０マイクロメータの範囲を含む、請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記構造はハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は少なくとも４．０マイクロメータ〜約１５マイクロメータの範囲を含み、前記第１幅及び第２幅はそれぞれ、はそれぞれ、０．５マイクロメータ〜０．９マイクロメータの範囲にあり、第１コンタクト厚みと第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．４５マイクロメータ〜０．８５マイクロメータの範囲にあり、第１コンタクト幅と第２コンタクト幅はそれぞれ、０．２マイクロメータ〜０．５マイクロメータの範囲にある、請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記基板はシリコンを含み、前記構造は少なくとも前記キャビティモードと水平表面プラズモンモードとを含むハイブリッドモードと共鳴カップリングし、前記波長域は約８３０ナノメータ〜少なくとも約８５０ナノメータの範囲を含み、さらに、前記第１コンタクト幅と前記第２コンタクト幅はそれぞれ、前記第１幅と前記第２幅よりも大きい、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記第１電極及び前記第２電極は金からなり、前記第１誘電率は１．７５〜４．０の範囲にあって前記第２誘電率よりも大きい、請求項１９に記載の光デバイス。
【請求項２１】
前記第１コンタクト厚み及び前記第２コンタクト厚みはそれぞれ、０．０７５〜０．２マイクロメータの範囲にある、請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２２】
前記第１幅と前記第２幅はそれぞれ、０．０７５マイクロメータ〜０．２５マイクロメータの範囲にある、請求項２０に記載の光デバイス。
【請求項２３】
前記基板はシリコン・オン・インシュレータ構造を含む、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２４】
前記基板はシリコンを含み、前記第２誘電率は前記第１誘電率よりも大きく、前記第１コンタクト幅と前記第２コンタクト幅は、それぞれ、前記第１幅と前記第２幅よりも大きい。請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項２５】
前記第１電極及び前記第２電極は金属を含み、前記第１コンタクト厚み及び前記第２コンタクト厚みのうち少なくとも１つは、少なくとも１００ｎｍである、請求項２４に記載の光デバイス。
【請求項２６】
前記第２誘電率は１．７５〜４．０の範囲にある、請求項２４に記載の光デバイス。
【請求項２７】
前記第１コンタクト幅は前記第１幅の少なくとも２倍であり、約０．２マイクロメータ〜約０．４マイクロメータの範囲にある、請求項２５に記載の光デバイス。
【請求項２８】
８３０ｎｍ〜８５０ｎｍの動作波長域で少なくとも０．２５Ａ／Ｗの応答性と少なくとも３０ＧＨｚの帯域幅を有する、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項２９】
前記第２誘電率は前記第１誘電率よりも大きく、前記第１コンタクト幅は前記第１幅よりも大きい、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項３０】
前記第２誘電体はシリコン酸化物であり、前記第１コンタクト幅は前記第１幅の少なくとも２倍であり、前記第１厚み及び前記第２厚みはそれぞれ、少なくとも１００ｎｍである、請求項２３に記載の光デバイス。
【請求項３１】
前記基板はシリコン最上層と絶縁体層とを含み、前記シリコン最上層は約３００ナノメータ〜約４００ｎｍの範囲にあり、前記絶縁体層は約２５ｎｍ〜約７５ｎｍの範囲にある、請求項３０に記載の光デバイス。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１４ｃ】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公表番号】特表２００７−５３１２７７（Ｐ２００７−５３１２７７Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０５０７４（Ｐ２００７−５０５０７４）
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００９３８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９２０３７
【国際公開日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５０６３１１９０９）リサーチ ファウンデーション オブ ザ シティー ユニバーシティ オブ ニューヨーク (2)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＩＴＹ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＮＥＷ ＹＯＲＫ
【住所又は居所原語表記】５５５ Ｗｅｓｔ ５７ｔｈ Ｓｔｒｅｅｔ， １１ｔｈ Ｆｌｏｏｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １００１９ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００９３８３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９２０３７
【国際公開日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（５０６３１１９０９）リサーチ ファウンデーション オブ ザ シティー ユニバーシティ オブ ニューヨーク (2)
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＩＴＹ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＮＥＷ ＹＯＲＫ
【住所又は居所原語表記】５５５ Ｗｅｓｔ ５７ｔｈ Ｓｔｒｅｅｔ， １１ｔｈ Ｆｌｏｏｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １００１９ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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